Hogyan lehet hőre lágyuló polimereket DSC-vel elemezni?

Bevezetés

A differenciális letapogató kalorimetria (DSC) a leggyakrabban alkalmazott termikus elemzési módszer, amelynek során egy szabályozott hőmérséklet-idő program segítségével meghatározzák a minta- és a referencia-tégely közötti hőáramlás különbségét, így információt nyerve a minták endoterm és exoterm hatásairól (pl. üveges átmenet, Olvadási hőmérsékletek és EnthalpiákEgy anyag fúziós entalpiája, más néven látens hő, annak az energiabevitelnek, jellemzően hőnek a mértéke, amely ahhoz szükséges, hogy egy anyag szilárd állapotból folyékony állapotba kerüljön. Egy anyag olvadáspontja az a hőmérséklet, amelyen szilárd (kristályos) állapotból folyékony (izotróp olvadék) állapotot vált.olvadás, KristályosodásA kristályosodás a kristályok kialakulása és növekedése során végbemenő fizikai folyamat. E folyamat során kristályosodási hő szabadul fel.kristályosodás stb.). A kényelmes kezelhetőség, a small is mintatömegek és a gyors mérések előnyei miatt széles körben alkalmazzák a polimerek területén. A legtöbb hőre lágyuló polimer esetében a fűtés–hűtés–újrafűtés program a leggyakrabban alkalmazott hőmérséklet-program. Az első és a második fűtés görbéi azonban általában jelentősen eltérnek egymástól, ami felveti a kérdést: melyiket kell figyelembe venni, az elsőt vagy a másodikat?

Az Olvadási hőmérsékletek és EnthalpiákEgy anyag fúziós entalpiája, más néven látens hő, annak az energiabevitelnek, jellemzően hőnek a mértéke, amely ahhoz szükséges, hogy egy anyag szilárd állapotból folyékony állapotba kerüljön. Egy anyag olvadáspontja az a hőmérséklet, amelyen szilárd (kristályos) állapotból folyékony (izotróp olvadék) állapotot vált.olvadás és a KristályosodásA kristályosodás a kristályok kialakulása és növekedése során végbemenő fizikai folyamat. E folyamat során kristályosodási hő szabadul fel.kristályosodás a leggyakoribb jelenségek a hőre lágyuló anyagok esetében. Az olvadást és a kristályosodást példaként véve általánosságban elmondható, hogy az első felmelegítési görbe az anyag eredeti Kristályosság / kristályossági fokA kristályosság a szilárd anyag szerkezeti rendezettségének mértékére utal. Egy kristályban az atomok vagy molekulák elrendeződése következetes és ismétlődő. Számos anyag, például üvegkerámia és egyes polimerek úgy állíthatók elő, hogy kristályos és amorf területek keveréke keletkezik. kristályosságát tükrözi (a hőmérsékleti előzményektől függően), a lehűtési görbe a kristályosodási viselkedést mutatja, míg a második felmelegítési görbe az anyag hőmérsékleti tulajdonságait tükrözi, amelynek hőmérsékleti előzményei mindig azonosak az előzetesen végzett, szabályozott és reprodukálható lehűtésnek köszönhetően. A különböző görbék a minta különböző állapotokban tanúsított viselkedését mutatják, így mindegyik hasznos. Hogy melyik görbét kell figyelembe venni, az a vizsgálat céljától és a szükséges információktól függ. Ez az alkalmazási útmutató három alkalmazási példával szemlélteti ezt a kérdést.

1. Az összeszerelés során néhány PA6 alkatrész megrepedt (NOK), míg mások nem (OK); a DSC azonosítja a különbséget a NOK és az OK alkatrészek között.

A NOK és az OK mintákat DSC-vel vizsgáltuk, egy tipikus fűtési, hűtési és újrafűtési program alkalmazásával, 10 K/perc fűtési/hűtési sebességgel. Az 1. és 2. ábra az első, illetve a második fűtés eredményeit mutatja. Az első felmelegítés során a két minta olvadási csúcshőmérsékletei közel állnak egymáshoz, de a NOK-minta olvadási entalpiája jelentősen magasabb, mint az OK-mintaé, ami arra utal, hogy a NOK-anyag kristályossága magasabb (24,88%). A magas Kristályosság / kristályossági fokA kristályosság a szilárd anyag szerkezeti rendezettségének mértékére utal. Egy kristályban az atomok vagy molekulák elrendeződése következetes és ismétlődő. Számos anyag, például üvegkerámia és egyes polimerek úgy állíthatók elő, hogy kristályos és amorf területek keveréke keletkezik. kristályosság azt jelenti, hogy a molekulaláncok elrendezése szabályosabb, így az anyag nagyobb keménységet és moduluszt mutat, viszont alacsonyabb a szívóssága, gyengébb a repedésterjedés elleni ellenállása, és könnyen reped. A Kristályosság / kristályossági fokA kristályosság a szilárd anyag szerkezeti rendezettségének mértékére utal. Egy kristályban az atomok vagy molekulák elrendeződése következetes és ismétlődő. Számos anyag, például üvegkerámia és egyes polimerek úgy állíthatók elő, hogy kristályos és amorf területek keveréke keletkezik. kristályosság mértéke az anyag saját tulajdonságaitól (pl. szennyeződések, inhomogenitás) függ, valamint a hőmérsékleti előzményektől (feldolgozási feltételek, például a formahőmérséklet) is. A mérési paramétereket az 1. táblázat tartalmazza.

1. táblázat: DSC-mérési paraméterek

A hőmérsékleti előzmények hatásának kiküszöbölése után (a lehűlési sebesség mindig 10 K/min volt) a NOK-minta olvadási entalpiája a második felmelegítés során továbbra is magasabb, mint az OK-mintaé. Feltételezhető, hogy a két minta Kristályosság / kristályossági fokA kristályosság a szilárd anyag szerkezeti rendezettségének mértékére utal. Egy kristályban az atomok vagy molekulák elrendeződése következetes és ismétlődő. Számos anyag, például üvegkerámia és egyes polimerek úgy állíthatók elő, hogy kristályos és amorf területek keveréke keletkezik. kristályosságának különbségét elsősorban maga az anyag okozza, pl. a töltőanyag vagy a szennyeződések, amelyeket további módszerekkel (pl. TGA, spektroszkópia, mechanikai tulajdonságok vizsgálata stb.) kell elemezni.

2. A különböző gyártóktól származó PET-granulátumok eltérő viselkedést mutatnak a fonási folyamat során; a DSC segítségével Identify meg lehet állapítani a két termék közötti különbségeket.

A fonási folyamat során az egyik PET-szálfajta szakadást mutatott, míg a másik nem. A különböző DSC-gyártóktól származó granulátumok vizsgálata érdekében a két anyagot egy fűtési, hűtési és újrafűtési programmal mérték; a fűtési/hűtési sebesség 10 K/min volt. A 3. és 4. ábra az első, illetve a második felmelegítés görbéit mutatja. A B mintánál az első felmelegítés során üveges átmenet, hidegkristályosodás és olvadási hatások figyelhetők meg, míg az A mintánál csak olvadási hatások észlelhetők. Bár a két minta olvadási entalpiája meglehetősen hasonló, a két minta eredeti Kristályosság / kristályossági fokA kristályosság a szilárd anyag szerkezeti rendezettségének mértékére utal. Egy kristályban az atomok vagy molekulák elrendeződése következetes és ismétlődő. Számos anyag, például üvegkerámia és egyes polimerek úgy állíthatók elő, hogy kristályos és amorf területek keveréke keletkezik. kristályosságának összehasonlításához figyelembe kell venni a B minta hidegkristályosodásának területét (21 J/g). A B minta kristályossága 11,5 %, ami így jóval alacsonyabb, mint az A minta 24,53 %-os kristályossága. A magasabb Kristályosság / kristályossági fokA kristályosság a szilárd anyag szerkezeti rendezettségének mértékére utal. Egy kristályban az atomok vagy molekulák elrendeződése következetes és ismétlődő. Számos anyag, például üvegkerámia és egyes polimerek úgy állíthatók elő, hogy kristályos és amorf területek keveréke keletkezik. kristályosság csökkenti a szilárdságot, és az anyag a fonás során könnyen elszakad. A mérési paramétereket a 2. táblázat tartalmazza.

2. táblázat: Mérési paraméterek

A hőelőzmények hatásának kiküszöbölése után a két minta olvadási entalpiája a második felmelegítés során szinte megegyezik, ami azt jelenti, hogy a két minta kristályosodási tulajdonságai között nincs jelentős különbség. Így az első felmelegítés során megfigyelt kristályosságbeli különbség valószínűleg a feldolgozási feltételekkel, például a lehűlési sebességgel függhet össze. Az A jelű granulátum szálképzési teljesítménye javítható lenne a hűtési eljárás módosításával, a Kristályosság / kristályossági fokA kristályosság a szilárd anyag szerkezeti rendezettségének mértékére utal. Egy kristályban az atomok vagy molekulák elrendeződése következetes és ismétlődő. Számos anyag, például üvegkerámia és egyes polimerek úgy állíthatók elő, hogy kristályos és amorf területek keveréke keletkezik. kristályossági fok csökkentése érdekében.

3. A nyers PP-granulátum egyes tételei a fóliakészítési folyamat során könnyen megrepednek, míg más tételek jó minőségűek voltak. A DSC segítségével elemezhető a hiba oka.

Két tétel OK granulátumot (törés nélkül) és négy tétel NOK granulátumot (nyújtási folyamat során bekövetkezett törés) vizsgáltunk DSC-vel, fűtés–hűtés–újrafűtés programmal, 10 K/perc fűtési/hűtési sebességgel. Az 5., 6. és 7. ábrák a PP-minták első fűtési, hűtési és második fűtési görbéit mutatják. A NOK- és az OK-minták viselkedése a két fűtési ciklus során hasonló. Hűtés közben azonban a NOK-minták kristályosodási hőmérséklete (a kezdeti hőmérséklet körülbelül 119 °C) magasabb, mint az OK-mintáké (a kezdeti hőmérséklet körülbelül 116 °C), és a NOK-minták exoterm csúcsának jobb oldali meredeksége meredekebbnek tűnik, mint az OK-mintáké, ami azt jelenti, hogy a NOK-minták kristályosodása is gyorsabb, mint az OK-mintáké. Ezért feltételezhető, hogy a törésprobléma valószínűleg a nyers granulátumok kristályosodási viselkedéséhez kapcsolódik. Lehetséges, hogy a NOK anyag olyan mikrorészecskéket tartalmaz, amelyek kristályképzőként hatnak, ami magasabb kristályosodási hőmérsékletet és gyorsabb kristályosodási sebességet eredményez. Ha a NOK-granulátumot ugyanolyan feltételek mellett dolgoznák fel, mint az OK-t, akkor a nyújtás során könnyen eltörne. A mérési paramétereket a 3. táblázat foglalja össze.

3. táblázat: Mérési paraméterek

Következtetés

Ezek a példák szemléltetik, hogyan lehet a DSC fűtési/hűtési görbéket egy konkrét probléma (meghibásodás-elemzés) kapcsán elemezni. Az első DSC-fűtési görbék feltárják az anyag eredeti Kristályosság / kristályossági fokA kristályosság a szilárd anyag szerkezeti rendezettségének mértékére utal. Egy kristályban az atomok vagy molekulák elrendeződése következetes és ismétlődő. Számos anyag, például üvegkerámia és egyes polimerek úgy állíthatók elő, hogy kristályos és amorf területek keveréke keletkezik. kristályosságát, beleértve a hőmérsékleti előzmények hatását is. A kristályosodási viselkedés a hűtési görbékből elemezhető; a második fűtési görbék az anyag hőmérsékleti viselkedését mutatják a hőmérsékleti előzmények kiküszöbölése után. A DSC-vel végzett hibaanalízis az anyagoktól és a feldolgozási feltételektől függően eltérő lesz, ezért a DSC-mérések eredményeit a konkrét hiba szempontjából kell elemezni. A feldolgozási feltételekre vonatkozó bármely további információ, például a feldolgozási hőmérséklet, segít az eredmények helyes értelmezésében és a megfelelő következtetések levonásában.