Kuinka analysoida termoplastisia polymeerejä DSC-menetelmällä

Johdanto

Differentiaalinen skannauskalorimetria (DSC) on yleisimmin käytetty lämpöanalyysimenetelmä, jossa määritetään näytteensulatusastian ja vertailusulatusastian välisen lämmönvirtauksen ero ohjattua lämpötila- ja aikaprogrammia käyttäen. Menetelmä antaa tietoa näytteiden endotermisistä ja eksotermisistä ilmiöistä (esim. lasittuminen, Sulamislämpötilat ja lämpöarvotAineen fuusioentalpia, joka tunnetaan myös latenttina lämpönä, on mitta, jolla mitataan energiapanosta, yleensä lämpöä, joka tarvitaan aineen muuttamiseksi kiinteästä olomuodosta nestemäiseksi. Aineen sulamispiste on lämpötila, jossa aine vaihtaa olomuotoaan kiinteästä olomuodosta (kiteinen) nestemäiseksi olomuodoksi (isotrooppinen sula).sulaminen, KiteytyminenKiteytyminen on fysikaalinen kovettumisprosessi, joka tapahtuu kiteiden muodostuessa ja kasvaessa. Tämän prosessin aikana vapautuu kiteytymislämpöä.kiteytyminen jne.). Menetelmää käytetään laajalti polymeerialalla, koska se on helppokäyttöinen, näytemass small i ja mittaukset sujuvat nopeasti. Useimpien termoplastisten polymeerien kohdalla yleisimmin käytetty lämpötilaohjelma on lämmitys-jäähdytys-uudelleenlämmitys-ohjelma. Ensimmäisen ja toisen lämmityksen käyrät ovat kuitenkin yleensä melko erilaisia, mikä herättää kysymyksen: kumpaa tulisi pitää merkittävänä, ensimmäistä vai toista lämmitystä?

Sulaminen ja KiteytyminenKiteytyminen on fysikaalinen kovettumisprosessi, joka tapahtuu kiteiden muodostuessa ja kasvaessa. Tämän prosessin aikana vapautuu kiteytymislämpöä.kiteytyminen ovat yleisimpiä ilmiöitä termoplastisissa materiaaleissa. Otetaan esimerkkinä Sulamislämpötilat ja lämpöarvotAineen fuusioentalpia, joka tunnetaan myös latenttina lämpönä, on mitta, jolla mitataan energiapanosta, yleensä lämpöä, joka tarvitaan aineen muuttamiseksi kiinteästä olomuodosta nestemäiseksi. Aineen sulamispiste on lämpötila, jossa aine vaihtaa olomuotoaan kiinteästä olomuodosta (kiteinen) nestemäiseksi olomuodoksi (isotrooppinen sula).sulaminen ja KiteytyminenKiteytyminen on fysikaalinen kovettumisprosessi, joka tapahtuu kiteiden muodostuessa ja kasvaessa. Tämän prosessin aikana vapautuu kiteytymislämpöä.kiteytyminen: yleisesti ottaen ensimmäinen lämmityskäyrä heijastaa materiaalin alkuperäistä kiteisyyttä (riippuen lämpöhistoriasta), jäähdytyskäyrä osoittaa kiteytymiskäyttäytymistä ja toinen lämmityskäyrä heijastaa materiaalin lämpöominaisuuksia, kun lämpöhistoria on aina sama etukäteen suoritetun hallitun ja toistettavan jäähdytyksen ansiosta. Eri käyrät kuvaavat näytteen käyttäytymistä eri tiloissa, joten ne kaikki ovat hyödyllisiä. Se, mihin käyrään tulisi kiinnittää huomiota, riippuu testin tarkoituksesta ja tarvittavista tiedoista. Tässä sovellusohjeessa käsitellään tätä aihetta kolmen sovellusesimerkin avulla.

1. Osa PA6-osista murtui (NOK) kokoonpanon aikana, kun taas toiset eivät (OK); DSC tunnistaa NOK- ja OK-osien välisen eron.

NOK- ja OK-näytteet testattiin DSC-menetelmällä käyttäen tyypillistä lämmitys-, jäähdytys- ja uudelleenlämmitysohjelmaa sekä 10 K/min:n lämmitys- ja jäähdytysnopeuksia. Kuvissa 1 ja 2 esitetään ensimmäisen ja toisen lämmityksen tulokset. Kahden näytteen sulamispiikkilämpötilat ovat lähellä toisiaan ensimmäisen lämmityksen aikana, mutta NOK-näytteen sulamisentalpia on huomattavasti korkeampi kuin OK-näytteen, mikä osoittaa, että NOK-materiaalin Kiteisyys / kiteisyysasteKiteisyydellä tarkoitetaan kiinteän aineen rakenteellisen järjestyksen astetta. Kiteessä atomien tai molekyylien järjestys on johdonmukainen ja toistuva. Monet materiaalit, kuten lasikeramiikka ja jotkin polymeerit, voidaan valmistaa siten, että syntyy kiteisten ja amorfisten alueiden sekoitus.kiteisyys on suurempi (24,88 %). Korkea Kiteisyys / kiteisyysasteKiteisyydellä tarkoitetaan kiinteän aineen rakenteellisen järjestyksen astetta. Kiteessä atomien tai molekyylien järjestys on johdonmukainen ja toistuva. Monet materiaalit, kuten lasikeramiikka ja jotkin polymeerit, voidaan valmistaa siten, että syntyy kiteisten ja amorfisten alueiden sekoitus.kiteisyys tarkoittaa, että molekyyliketjujen järjestys on säännöllisempi, minkä seurauksena materiaalilla on suurempi kovuus ja moduuli, mutta pienempi sitkeys, heikompi kestävyys halkeaman leviämistä vastaan ja se halkeilee helposti. Kiteisyys / kiteisyysasteKiteisyydellä tarkoitetaan kiinteän aineen rakenteellisen järjestyksen astetta. Kiteessä atomien tai molekyylien järjestys on johdonmukainen ja toistuva. Monet materiaalit, kuten lasikeramiikka ja jotkin polymeerit, voidaan valmistaa siten, että syntyy kiteisten ja amorfisten alueiden sekoitus.Kiteisyysaste liittyy itse materiaaliin (esim. epäpuhtaudet, epähomogeenisuus) ja riippuu myös lämpöhistoriasta (käsittelyolosuhteet, kuten muotin lämpötila). Mittausparametrit on esitetty yksityiskohtaisesti taulukossa 1.

Taulukko 1: DSC-mittausparametrit

Kun lämpöhistorian vaikutus on eliminoitu (jäähdytysnopeus oli aina 10 K/min), NOK-näytteen sulamisentalpia on edelleen korkeampi kuin OK-näytteen sulamisentalpia toisen kuumennuksen aikana. Oletetaan, että pääasiallinen syy näiden kahden näytteen kiteisyyden eroon on itse materiaali, esimerkiksi täyteaine tai epäpuhtaudet, joita on analysoitava tarkemmin muilla menetelmillä (kuten TGA:lla, spektroskopialla ja mekaanisten ominaisuuksien testauksella jne.).

2. Eri valmistajien PET-rakeet käyttäytyvät eri tavoin kehruuprosessin aikana; DSC-analyysi auttaa tunnistamaan ( Identify ) näiden kahden tuotteen väliset erot.

Kehruuprosessin aikana yksi PET-kuitutyyppi murtui, kun taas toinen ei. Eri DSC-valmistajien tuottamien pellettien tutkimiseksi molemmat materiaalit mitattiin lämmitys-, jäähdytys- ja uudelleenlämmitysohjelman avulla; lämmitys-/jäähdytysnopeus oli 10 K/min. Kuvissa 3 ja 4 esitetään ensimmäisen ja toisen lämmityksen käyrät. Näytteessä B havaitaan lasittumista, kylmäkristallisoitumista ja sulamisilmiöitä ensimmäisen lämmityksen aikana, kun taas näytteessä A havaitaan ainoastaan sulamisilmiöitä. Vaikka näiden kahden näytteen sulamisentalpiat ovat melko samankaltaiset, näytteen B kylmäkristallisoitumisen alue (21 J/g) on otettava huomioon vertailtaessa näytteiden alkuperäistä kiteisyyttä. Näytteen B Kiteisyys / kiteisyysasteKiteisyydellä tarkoitetaan kiinteän aineen rakenteellisen järjestyksen astetta. Kiteessä atomien tai molekyylien järjestys on johdonmukainen ja toistuva. Monet materiaalit, kuten lasikeramiikka ja jotkin polymeerit, voidaan valmistaa siten, että syntyy kiteisten ja amorfisten alueiden sekoitus.kiteisyys on 11,5 %, mikä on huomattavasti alhaisempi kuin näytteen A Kiteisyys / kiteisyysasteKiteisyydellä tarkoitetaan kiinteän aineen rakenteellisen järjestyksen astetta. Kiteessä atomien tai molekyylien järjestys on johdonmukainen ja toistuva. Monet materiaalit, kuten lasikeramiikka ja jotkin polymeerit, voidaan valmistaa siten, että syntyy kiteisten ja amorfisten alueiden sekoitus.kiteisyys, joka on 24,53 %. Korkeampi Kiteisyys / kiteisyysasteKiteisyydellä tarkoitetaan kiinteän aineen rakenteellisen järjestyksen astetta. Kiteessä atomien tai molekyylien järjestys on johdonmukainen ja toistuva. Monet materiaalit, kuten lasikeramiikka ja jotkin polymeerit, voidaan valmistaa siten, että syntyy kiteisten ja amorfisten alueiden sekoitus.kiteisyys heikentää sitkeyttä, ja materiaali murtuu helposti kehräyksen aikana. Mittausparametrit on esitetty yksityiskohtaisesti taulukossa 2.

Taulukko 2: Mittausparametrit

Kun lämpöhistorian vaikutus on eliminoitu, molempien näytteiden sulamisentalpia on lähes sama toisen kuumennuksen aikana, mikä tarkoittaa, ettei näytteiden kiteytymisominaisuuksissa ole suurta eroa. Näin ollen ensimmäisen kuumennuksen aikana havaittu kiteisyyden ero saattaa liittyä prosessointiolosuhteisiin, kuten jäähdytysnopeuteen. Pellettien A kehräysominaisuuksia voitaisiin parantaa säätämällä jäähdytysmenettelyä kiteisyysasteen pienentämiseksi.

3. Jotkut PP-raakagranulaattierät murtuvat helposti kalvonmuodostusprosessin aikana, kun taas toiset erät olivat laadultaan hyviä. DSC-menetelmän avulla voidaan selvittää tämän vian syy.

Kaksi erää OK-rakeita (ei murtumista) ja neljä erää NOK-rakeita (murtuminen venytysprosessin aikana) testattiin DSC-menetelmällä käyttäen lämmitys-jäähdytys-uudelleenlämmitysohjelmaa sekä 10 K/min:n lämmitys- ja jäähdytysnopeuksilla. Kuvissa 5, 6 ja 7 esitetään PP-näytteiden ensimmäisen lämmityksen, jäähdytyksen ja toisen lämmityksen käyrät. NOK- ja OK-näytteiden käyttäytyminen on samanlaista näiden kahden lämmityskierroksen aikana. Jäähdytyksen aikana NOK-näytteiden kiteytymislämpötila (alkulämpötila noin 119 °C) on kuitenkin korkeampi kuin OK-näytteiden (alkulämpötila noin 116 °C), ja NOK-näytteiden eksotermisen piikin oikean puolen kaltevuus näyttää jyrkemmältä kuin OK-näytteiden, mikä tarkoittaa, että NOK-näytteet kiteytyvät myös nopeammin kuin OK-näytteet. Siksi oletetaan, että murtumisongelma liittyy todennäköisesti raakagranulaattien kiteytymiskäyttäytymiseen. NOK-materiaali saattaa sisältää joitakin mikrohiukkasia, jotka toimivat kiteytymisnukleaattoreina, mikä johtaa korkeampaan kiteytymislämpötilaan ja nopeampaan kiteytymisnopeuteen. Jos NOK-rakeita käsiteltäisiin samoissa olosuhteissa kuin OK-rakeita, ne murtuisivat helposti venytyksen aikana. Mittausparametrit on koottu taulukkoon 3.

Taulukko 3: Mittausparametrit

Johtopäätös

Nämä esimerkit havainnollistavat, miten DSC-lämmitys- ja jäähdytyskäyriä analysoidaan suhteessa konkreettiseen ongelmaan (vianmääritys). Ensimmäiset DSC-lämmityskäyrät paljastavat materiaalin alkuperäisen kiteisyyden, mukaan lukien sen lämpöhistorian vaikutuksen. Kiteytymiskäyttäytymistä voidaan analysoida jäähdytyskäyristä; toiset lämmityskäyrät osoittavat materiaalin lämpökäyttäytymisen, kun lämpöhistoria on eliminoitu. DSC-menetelmällä tehtävä vianmääritys vaihtelee materiaalien ja prosessointiolosuhteiden mukaan, joten DSC-mittaustuloksia tulisi analysoida juuri kyseisen vian kannalta. Kaikki lisätiedot prosessointiolosuhteista, kuten prosessointilämpötila, auttavat tulosten oikeassa tulkinnassa ja oikeiden johtopäätösten tekemisessä.