| Published: 

Karakterisasi Termal Lengkap PTFE - Kombinasi DSC, DMA, dan Rotational Rheometry

Pendahuluan

PTFE (polietilen tereftalat) adalah polimer yang umumnya dikenal sebagai Teflon. Polimer ini memiliki struktur linier heliks, di mana atom fluor mengelilingi atom karbon dan membangun lapisan pelindung (lihat struktur di bawah). Hal ini menjelaskan sifatnya yang luar biasa dalam hal Stabilitas TermalSuatu bahan dikatakan stabil secara termal jika tidak terurai di bawah pengaruh suhu. Salah satu cara untuk menentukan stabilitas termal suatu zat adalah dengan menggunakan TGA (penganalisis termogravimetri). stabilitas termal, isolasi, ketahanan terhadap bahan kimia, dll. [1].

Sifat-sifat PTFE bergantung pada suhu dan termasuk yang khas dari bahan semi-kristal seperti transisi gelas dan peleburan. Selain itu, struktur heliksnya dianggap bertanggung jawab atas keberadaan transisi kristal-kristal di sekitar suhu kamar [2].

Berikut ini, sampel PTFE diukur dengan DSC, DMA, dan reometri rotasi. Ketiga metode ini berjalan beriringan: DSC memberikan informasi tentang sifat termal suatu bahan, DMA dan reometri menawarkan kemungkinan untuk memperoleh (antara lain) sifat viskoelastik sampel dengan mengevaluasi respons terhadap sinyal osilasi.

Beberapa Definisi

DMA:
E*: Modulus elastisitasModulus kompleks (komponen elastis), modulus penyimpanan, atau G', adalah bagian "nyata" dari sampel dari keseluruhan modulus kompleks. Komponen elastis ini menunjukkan respons seperti padat, atau dalam fase, dari sampel yang sedang diukur. Modulus elastisitas kompleks
E': Modulus penyimpanan, kontribusi elastis terhadap E*
E": Modulus kehilangan, kontribusi viskos terhadap E*
tan δ: Faktor kehilangan

Reometri:
G*: Modulus geser kompleks
G': Modulus geser penyimpanan, kontribusi elastis terhadap G*
G": Modulus geser rugi, kontribusi viskos terhadap G*
δ: Sudut fase

DMA (Analisis Dinamis-Mekanis) - Prinsip Fungsional

Gaya sinusoidal (tegangan σ, input) diterapkan pada sampel yang menghasilkan deformasi sinusoidal (SaringRegangan menggambarkan deformasi material, yang dibebani secara mekanis oleh gaya atau tekanan eksternal. Senyawa karet menunjukkan sifat mulur, jika beban statis diterapkan.regangan ε, output).

Sinyal respons (SaringRegangan menggambarkan deformasi material, yang dibebani secara mekanis oleh gaya atau tekanan eksternal. Senyawa karet menunjukkan sifat mulur, jika beban statis diterapkan.regangan, ε) dibagi menjadi bagian "dalam fase" dan bagian "di luar fase".

Bagian "in-phase" terkait dengan sifat elastis (→ E´, modulus penyimpanan), bagian "out-phase" terkait dengan sifat kental (→ E", Modulus kentalModulus kompleks (komponen kental), modulus kehilangan, atau G'', adalah bagian "imajiner" dari sampel dari keseluruhan modulus kompleks. Komponen kental ini menunjukkan respons seperti cairan, atau di luar fase, dari sampel yang sedang diukur. modulus kehilangan) dari bahan viskoelastik.

Hasil: Sifat viskoelastik sampel ditentukan, khususnya Modulus KompleksModulus kompleks terdiri dari dua komponen, yaitu modulus penyimpanan dan modulus kehilangan. Modulus penyimpanan (atau modulus Young) menggambarkan kekakuan dan modulus kehilangan menggambarkan perilaku redaman (atau viskoelastik) dari sampel yang sesuai dengan menggunakan metode Analisis Mekanik Dinamis (Dynamic Mechanical Analysis/DMA). modulus kompleks Modulus KompleksModulus kompleks terdiri dari dua komponen, yaitu modulus penyimpanan dan modulus kehilangan. Modulus penyimpanan (atau modulus Young) menggambarkan kekakuan dan modulus kehilangan menggambarkan perilaku redaman (atau viskoelastik) dari sampel yang sesuai dengan menggunakan metode Analisis Mekanik Dinamis (Dynamic Mechanical Analysis/DMA). E*2.

1 Informasi lebih lanjut tentang Kalorimetri Pemindaian Diferensial
2 Informasi lebih lanjut tentang Analisis Dinamis-Mekanis

1) Prinsip fungsional DMA

Rotational Rheometer (Pengukuran Osilasi) - Prinsip Dasar

Geometri atas dengan frekuensi yang ditentukan f [Hz] (atau ω [rad/s]) dan amplitudo [%] (atau SaringRegangan menggambarkan deformasi material, yang dibebani secara mekanis oleh gaya atau tekanan eksternal. Senyawa karet menunjukkan sifat mulur, jika beban statis diterapkan.regangan geser γ [%]). Tegangan geser kompleks σ* [Pa] yang diperlukan untuk osilasi ini ditentukan dan dibagi menjadi bagian "dalam fase" dan "di luar fase". Bagian "in-phase" terkait dengan sifat elastis (→ G´, modulus geser penyimpanan), bagian "out-phase" terkait dengan sifat viskos (→ G", modulus geser kehilangan) dari bahan visko-elastis.

Hasil: Sifat visko-elastis sampel ditentukan, khususnya Modulus Geser Kompleks (G*)Modulus geser adalah pengukuran kekakuan suatu bahan. modulus geser kompleks G* dan viskositas geser kompleks ŋ* [Pa-s]3:

2) Prinsip fungsional rheometri rotasi

Tabel 1 merangkum kondisi dari ketiga pengukuran tersebut.

Tabel 1: Kondisi Pengujian

metode

DSC

DMA

Reometri Rotasi

Wadah / geometri

Concavus® (aluminium), tertutup

dengan tutup yang ditusuk

pembengkokan 3 titik, 40 mm

Puntir

Massa/dimensi sampel

11.88 mg

Panjang: 40 mm

Lebar: 9,98 mm

Tinggi: 2,1 mm

Panjang: 42,5 mm

Lebar: 10,01 mm

Tinggi: 2,09 mm

Kisaran suhu

-70°C hingga 380°C

-170°C hingga 150°C

5°C hingga 150°C

Laju pemanasan

10 K/menit

2 K/menit

1 K/menit

Amplitudo/SaringRegangan menggambarkan deformasi material, yang dibebani secara mekanis oleh gaya atau tekanan eksternal. Senyawa karet menunjukkan sifat mulur, jika beban statis diterapkan.regangan geser

-

60 μm

4.10-3%4

Frekuensi

-

1 Hz

1 Hz

Atmosfer

Nitrogen (100 ml/menit)

Udara, statis

Nitrogen (2 l/menit)

3 Informasi lebih lanjut tentang Rheometri dapat ditemukan di RHEOMETERS

4 Uji sapuan amplitudo sebelumnya menetapkan SaringRegangan menggambarkan deformasi material, yang dibebani secara mekanis oleh gaya atau tekanan eksternal. Senyawa karet menunjukkan sifat mulur, jika beban statis diterapkan.regangan geser yang sesuai diterapkan untuk memastikan pengukuran osilasi tidak merusak. Selama pengukuran frekuensi lengkap, regangan tetap berada dalam rentang visko-elastis linier (Wilayah Viskoelastik Linier (LVER)Pada LVER, tegangan yang diberikan tidak cukup untuk menyebabkan kerusakan struktural (yielding) pada struktur dan oleh karena itu, sifat-sifat mikro-struktural yang penting diukur.LVER) material, di mana regangan dan tegangan sebanding.

Gambar 3 hingga 5 menampilkan kurva yang dihasilkan dari pengukuran DSC, DMA dan rotational rheometer.

Transisi Kristal-Kristal di sekitar Suhu Kamar

Pengukuran DSC pada gambar 4 menunjukkan puncak pada suhu 21°C dengan bahu pada suhu 30°C. Hal ini disebabkan oleh dua transisi kristal-kristal (dari struktur heksagonal yang tertata dengan baik ke struktur heksagonal yang tertata sebagian dan dari struktur yang tertata sebagian ke struktur yang tidak teratur) [4]. Hal ini sesuai dengan penurunan modulus E', yang terkait dengan puncak pada suhu 34°C pada tan δ pengukuran DMA (gambar 3).

Pengukuran dengan rotational rheometer sesuai dengan hasil ini (gambar 5). Transisi padat-padat menyebabkan penurunan kurva G' (merah) serta puncak ganda pada 26-27°C dan 33-34°C pada kurva G" (biru) dan kurva δ (hijau).

Daerah Amorf dan Kristal: Transisi Kaca dan Peleburan

Puncak tambahan terdeteksi pada 134 ° C dalam faktor kehilangan, tan δ, kurva (gambar 3) dan pada 127 ° C dalam sudut fase, δ, kurva (gambar 5). Hal ini sesuai dengan transisi gelas PTFE, di mana bagian amorf polimer berubah dari keadaan seperti kaca menjadi kenyal.

3) Pengukuran DMA. Merah: Modulus penyimpanan E´. Biru: Modulus kehilangan. Hijau: Faktor kehilangan tan δ.
4) Pengukuran DSC: Derajat Kristalinitas / Derajat KristalinitasKristalinitas mengacu ke tingkat keteraturan struktural suatu benda padat. Dalam kristal, susunan atom atau molekulnya konsisten dan berulang-ulang. Banyak bahan seperti keramik kaca dan beberapa polimer dapat dipersiapkan sedemikian rupa untuk menghasilkan campuran daerah kristal dan amorf. kristalinitas dapat dihitung dari entalpi leleh yang diukur, dibagi dengan entalpi bahan PTFE 100% amorf murni.

Lebih lanjut, puncak EndotermikTransisi sampel atau reaksi bersifat endotermik jika panas diperlukan untuk konversi.endotermik yang terdeteksi pada 337 ° C (gambar 4) disebabkan oleh peleburan fase kristal PTFE [4]. Evaluasi entalpi leleh (73 J/g) memungkinkan penentuan tingkat Kristalinitas / Derajat KristalinitasKristalinitas mengacu ke tingkat keteraturan struktural suatu benda padat. Dalam kristal, susunan atom atau molekulnya konsisten dan berulang-ulang. Banyak bahan seperti keramik kaca dan beberapa polimer dapat dipersiapkan sedemikian rupa untuk menghasilkan campuran daerah kristal dan amorf. kristalinitas material (lihat kotak info). PTFE ini memiliki Kristalinitas / Derajat KristalinitasKristalinitas mengacu ke tingkat keteraturan struktural suatu benda padat. Dalam kristal, susunan atom atau molekulnya konsisten dan berulang-ulang. Banyak bahan seperti keramik kaca dan beberapa polimer dapat dipersiapkan sedemikian rupa untuk menghasilkan campuran daerah kristal dan amorf. kristalinitas hampir 90%. Sebaliknya, fase amorf hanya berjumlah 10% dari sampel. Ini berarti bahwa bagian amorf dari polimer hanya diucapkan dengan lemah.

Deteksi transisi gelas yang sangat lemah ini tidak mungkin dilakukan dengan DSC, tetapi metode alternatif DMA dan reometri rotasi mungkin lebih sesuai di mana puncak yang berkaitan dengan suhu transisi gelas sangat berbeda di kedua kurva faktor kehilangan (suhu puncak pada 134 ° C) dan sudut fasa (suhu puncak pada 127 ° C).

Gambar 6 menggambarkan kurva yang diperoleh dengan ketiga metode tersebut. Pada kisaran suhu hingga 150 ° C, faktor kehilangan pengukuran DMA serta sudut fasa uji rheometer rotasi dengan jelas menunjukkan suhu transisi gelas dari sampel PTFE yang sangat kristalin ini.

5) Pengukuran osilasi dengan rheometer rotasi. Merah: Modulus geser elastis G'. Biru: Modulus geser viskos G". Hijau: Sudut fase δ.
6) Pengukuran DSC, DMA dan rheometer. Hitam: DSC. Merah: Modulus penyimpanan E' (DMA). Hijau: Faktor kehilangan tan δ (DMA). Biru: Sudut fase δ (rheometer rotasi).

Bagaimana Cara Menghubungkan E' dan G'? Metode Kompleks - Jawaban Sederhana

Seperti yang telah disebutkan sebelumnya (lihat 4 pada halaman 2), deformasi yang diterapkan berada dalam rentang visko-elastis linier dari material. Dalam hal ini, Modulus elastisitasModulus kompleks (komponen elastis), modulus penyimpanan, atau G', adalah bagian "nyata" dari sampel dari keseluruhan modulus kompleks. Komponen elastis ini menunjukkan respons seperti padat, atau dalam fase, dari sampel yang sedang diukur. modulus elastisitas E' (DMA) dan modulus geser elastisitas G' dihubungkan dengan persamaan berikut:

E' = 2 - G' - (1 + n)

di mana n adalah rasio Poisson dan berjumlah 0,42 untuk PTFE [5].

Pada suhu 5°C → E´ = 1789 MPa

Pada 5°C → G´ = 661 MPa

2 - G' (1 + n) = 1876 MPa

Nilai terukur dari E' sesuai dengan nilai yang dihitung dari hubungan antara modulus penyimpanan dan rasio Poisson.

Kesimpulan

DSC, DMA, dan reometri rotasi dilakukan pada bahan PTFE yang tidak terisi. Ketiga metode tersebut mengidentifikasi transisi kristal-kristal. Transisi kaca yang sangat lemah terdeteksi dengan menggunakan DMA dan reometri rotasi. Selain itu, korelasi yang baik antara Modulus elastisitasModulus kompleks (komponen elastis), modulus penyimpanan, atau G', adalah bagian "nyata" dari sampel dari keseluruhan modulus kompleks. Komponen elastis ini menunjukkan respons seperti padat, atau dalam fase, dari sampel yang sedang diukur. modulus elastisitas yang diukur dalam DMA dan modulus geser elastisitas melalui reometri ditemukan.

Transisi γ, peleburan, dan derajat Kristalinitas / Derajat KristalinitasKristalinitas mengacu ke tingkat keteraturan struktural suatu benda padat. Dalam kristal, susunan atom atau molekulnya konsisten dan berulang-ulang. Banyak bahan seperti keramik kaca dan beberapa polimer dapat dipersiapkan sedemikian rupa untuk menghasilkan campuran daerah kristal dan amorf. kristalinitas juga dikarakterisasi.

Kombinasi hasil dengan menggunakan metode yang berbeda tidak hanya memastikan validitas hasil, tetapi juga meningkatkan pengetahuan tentang sifat termal dan mekanik material.

Literature

  1. [1]
    Struktur dan sifat serat polytetrafluoroethylene (PTFE), Ruiliu Wang, Guangbiao Xu dan Yuechao He (e-Polimer)
  2. [2]
    Karakterisasi Polimer, Vincent J. Mcbrierty, dalam Ilmu dan Suplemen Polimer Komprehensif, 1989, 19.8.1 Polimer Fluorokarbon
  3. [3]
    Analisis dari kelompok-kelompok viskoelastisitas di bidang β-Übergangs, Klaus Hying, tesis, 2003 https://d-nb.info/969582668/34
  4. [4]
    Karakterisasi PTFE Menggunakan Teknik Analisis Termal Tingkat Lanjut, Int J Thermophys 31, 1919-1927 (2010), J. Blumm, A. Lindemann, M. Meyer, C. Strasser
  5. [5]
    Hubungan Antara Moduli (polymerdatabase.com)