Εισαγωγή
Οι μέθοδοι θερμικής ανάλυσης χρησιμοποιούνται ευρέως στον τομέα των πολυμερών για τον χαρακτηρισμό και την ταυτοποίηση των υλικών. Στην παρούσα μελέτη περίπτωσης, το PMMI διερευνήθηκε με τη βοήθεια των μεθόδων DSC, TGA και TGA-FT-IR. Το PMMI (Polymethacrylmethylimide) είναι ένα θερμοπλαστικό πολυμερές. Καθώς είναι άμορφο πολυμερές, διαθέτει υψηλή διαφάνεια. Ως εκ τούτου, μπορεί να χρησιμοποιηθεί σε συγκεκριμένες εφαρμογές, όπως η αυτοκινητοβιομηχανία για μονάδες προβολέων, ή γενικότερα για οπτικά εξαρτήματα όπως φωτοδηγοί, φακοί, οπτικές ίνες, καλύμματα φωτιστικών σωμάτων, γυαλιά οράσεως και φακοί κάλυψης.
Αποτελέσματα δοκιμών
Σε σύγκριση με το PMMA (πολυμεθυλομεθακρυλικό), το PMMI έχει υψηλότερη θερμοκρασία θερμικής εκτροπής, η οποία αντικατοπτρίζεται επίσης από την υψηλότερη θερμοκρασία υαλώδους μετάπτωσης (Tg) σε σύγκριση με το PMMA. Στο Σχήμα 1 παρουσιάζονται τα αποτελέσματα DSC των καμπυλών 2ης θέρμανσης για το PMMI σε άμεση σύγκριση με το PMMA. Για αυτές τις δύο ποιότητες, η Tg του PMMA βρίσκεται στους 109,1°C (μέσος όρος) και του PMMI πολύ υψηλότερα στους 175,8°C (μέσος όρος).
Στην πρώτη καμπύλη θέρμανσης του πειράματος DSC (μπλε καμπύλη στο σχήμα 2), μπορεί κανείς να παρατηρήσει - εκτός από την Tg υαλώδους μετάβασης στους 162,2°C - επίσης ένα ενδόθερμο φαινόμενο στους 197,1°C που ακολουθεί άμεσα την Tg. Καθώς το φαινόμενο αυτό δεν παρατηρείται στη δεύτερη θέρμανση, μπορεί να υποτεθεί ότι μπορεί να είναι φαινόμενο εξάτμισης ενός πτητικού συστατικού. Αυτό μπορεί να αποδειχθεί σε ένα πρώτο βήμα απλώς με την εκ νέου ζύγιση του δείγματος μετά το πείραμα DSC (σε αυτή την περίπτωση, θα διαπιστώσει κανείς απώλεια μάζας περίπου 1%). Η υαλώδης μετάβαση του PMMI μπορεί να βρεθεί στη δεύτερη καμπύλη θέρμανσης (κόκκινη καμπύλη στο σχήμα 2) στους 175,8°C (μέσο σημείο).
Μια θερμοαναλυτική μέθοδος για την ποσοτική επαλήθευση της απώλειας μάζας είναι η θερμοβαρυμετρική ανάλυση (TGA). Τα αποτελέσματα για το δείγμα PMMI παρουσιάζονται στο σχήμα 3. Στην καμπύλη TGA παρατηρείται ένα βήμα απώλειας μάζας 1,0% στο εύρος θερμοκρασιών από RT έως 260°C. Το μέγιστο του ρυθμού απώλειας μάζας για αυτό το βήμα απώλειας μάζας μπορεί να παρατηρηθεί ως ελάχιστο στην καμπύλη DTG (πρώτη παράγωγος της καμπύλης TGA) στους 199,9°C. Αυτό το βήμα απώλειας μάζας αντιστοιχεί σαφώς στο ενδόθερμο φαινόμενο που παρατηρήθηκε στους 197,1°C (μέγιστη θερμοκρασία) στην πρώτη καμπύλη θέρμανσης της μέτρησης DSC.
Μέσω της TGA μπορεί κανείς να ποσοτικοποιήσει την απώλεια μάζας σε μια συγκεκριμένη θερμοκρασία- τώρα θα είχε μεγαλύτερο ενδιαφέρον να μάθουμε ποιο αέριο αναπτύχθηκε κατά τη διάρκεια αυτού του βήματος απώλειας μάζας, προκειμένου να αποκτήσουμε βαθύτερη εικόνα της σύνθεσης του δείγματος.
Για την ανίχνευση και την ταυτοποίηση του αερίου που αναπτύχθηκε, το σύστημα TGA συνδέθηκε με ένα φασματόμετρο FT-IR- αυτό μπορεί να γίνει με μοναδικό τρόπο με το NETZSCH PERSEUS® TG 209 F1 Libra® . Το σύστημα σύζευξης PERSEUS® είναι μια άμεση σύζευξη του TG 209 F1 Libra® με το φασματόμετρο FT-IR της Bruker Alpha.
Στο Σχήμα 4 απεικονίζεται, για τη συζευγμένη μέτρηση TGA-FT-IR σε PMMI, η καμπύλη Gram-Schmidt (κόκκινο) μαζί με τις καμπύλες TGA και DTG. Η καμπύλη Gram-Schmidt εμφανίζει τις συνολικές εντάσεις IR και συμπεριφέρεται ως κατοπτρική εικόνα του ρυθμού απώλειας μάζας (DTG), ενώ δείχνει επίσης τις μέγιστες εντάσεις κατά τη διάρκεια των βημάτων απώλειας μάζας.
Για τη λεπτομερή αξιολόγηση των δεδομένων IR, το μεμονωμένο φάσμα λήφθηκε στο βήμα απώλειας μάζας στους 200°C και συγκρίθηκε με τις καταχωρήσεις στις εγκατεστημένες βάσεις δεδομένων (σχήμα 5). Στην περίπτωση αυτή, η σύγκριση με το library δείχνει ότι το αέριο που απελευθερώνεται είναι σίγουραH2O.
Συμπέρασμα
Με αυτή τη γνώση του υλικού, τα αποτελέσματα της DSC για την πρώτη και τη δεύτερη θέρμανση (σχήμα 2) μπορούν επίσης να εξηγηθούν με μεγαλύτερη ακρίβεια. Λόγω της περιεκτικότητας του δείγματος σε νερό, η θερμοκρασία υαλώδους μετάβασης που παρατηρείται στην πρώτη θέρμανση είναι χαμηλότερη από εκείνη που παρατηρείται στη δεύτερη θέρμανση. Η υγρασία σε ένα πολυμερές δρα ως πλαστικοποιητής και μειώνει σημαντικά τη θερμοκρασία υαλώδους μετάπτωσης.