NETZSCH Instruments to Solve Thermoelectric and Building Materials Applications

Introduzione

"Salve, mi chiamo Elizabeth Graham (foto a sinistra) e sono la coordinatrice del laboratorio di proprietà fisiche e meccaniche della Central Analytical Research Facility (CARF) della Queensland University of Technology (QUT). Il CARF è un gruppo di circa 50 professionisti e personale accademico che gestisce un portafoglio di strumenti che soddisfano molte delle esigenze di ricerca scientifica della QUT. Il mio collega Jun Zhang (nella foto a destra) e io forniamo formazione e assistenza sull'analisi termica alla comunità di ricerca della QUT, oltre a servizi di test e consulenza a organizzazioni commerciali e di ricerca australiane.

Siamo situati nel cuore della città di Brisbane, nel Queensland, adiacenti ai giardini botanici, in una moderna struttura scientifica e ingegneristica con oltre 600 clienti interni. La nostra missione è fornire formazione operativa agli studenti QUT HDR e ad altri ricercatori QUT, in modo che si laureino con una formazione pratica sulle apparecchiature e con la comprensione necessaria per ottenere i migliori risultati dall'analisi dei dati. Attualmente abbiamo 188 utenti QUT formati per la suite di strumenti NETZSCH.

Caso 1: Il design macromolecolare dei copolimeri di poli(stirene-isoprene-stirene) (SIS) ne definisce le prestazioni nei riscaldatori elettrotermici flessibili compositi

_{Hiruni T. Dedduwakumara, Christopher Barner-Kowollik, Deepak Dubal e Nathan R.B. Boase; ACS Applied Materials & InterfacesArticolo ASAP; DOI: 10.1021/acsami.3c19541;
Vedere la pubblicazione su acsami.org: Pubblicazioni ACS}

Questo studio si concentra sul miglioramento della stabilità e delle prestazioni dei riscaldatori elettrotermici compositi flessibili per veicoli elettrici. Questi riscaldatori sono utilizzati in applicazioni come automobili, finestre intelligenti, sbrinatori, display, cuscinetti per la termoterapia e sensori. Sono essenziali per mantenere l'efficienza del veicolo in condizioni di freddo, dove il riscaldamento dell'abitacolo influisce significativamente sull'autonomia del veicolo. Le leghe metalliche e gli ossidi conduttivi trasparenti (TCO) sono materiali comuni per questa applicazione; tuttavia, presentano limitazioni quali proprietà meccaniche inadatte all'applicazione e scarsità di materiale.

I polimeri sono stati esplorati come alternativa ai dispositivi di riscaldamento in metallo, grazie alla loro leggerezza, alla natura flessibile e alla convenienza economica. Tuttavia, i polimeri puri hanno solitamente una bassa Conduttività termicaLa conducibilità termica (λ con unità di misura W/(m-K)) descrive il trasporto di energia - sotto forma di calore - attraverso un corpo di massa come risultato di un gradiente di temperatura (vedi fig. 1). Secondo la seconda legge della termodinamica, il calore fluisce sempre nella direzione della temperatura più bassa.conduttività termica e stabilità. Pertanto, questa ricerca si concentra su compositi a base di polimeri costituiti da copolimeri di poli(stirene-isoprene-stirene) (SIS) e poli(stirene-etilene-propilene-stirene) idrogenato (SEPS) mescolati con quantità variabili di nerofumo (CB). Il ruolo svolto dalla presenza di legami olefinici e dal carico di CB nel determinare le proprietà termiche è stato analizzato in dettaglio.

Durante lo studio, il ricercatore ha sintetizzato e caratterizzato tre tipi di copolimeri SIS/SEPS e i loro compositi con nerofumo (CB). Le proprietà di Stabilità termicaUn materiale è termicamente stabile se non si decompone sotto l'influenza della temperatura. Un modo per determinare la stabilità termica di una sostanza è quello di utilizzare un TGA (analizzatore termogravimetrico). stabilità termica sono state valutate mediante analisi termogravimetrica (NETZSCH Jupiter^® 449 F3 STA) sia in ambiente inerte che ossidativo. Le prestazioni elettrotermiche sono state valutate misurando la Conduttività termicaLa conducibilità termica (λ con unità di misura W/(m-K)) descrive il trasporto di energia - sotto forma di calore - attraverso un corpo di massa come risultato di un gradiente di temperatura (vedi fig. 1). Secondo la seconda legge della termodinamica, il calore fluisce sempre nella direzione della temperatura più bassa.conduttività termica ed elettrica e l'uniformità della distribuzione del calore. La resistenza, la resistività del foglio e la conducibilità dei film sottili compositi sono state misurate utilizzando un sistema di sonde a quattro punti KSR-4. La conducibilità termica è stata misurata utilizzando l'analizzatore laser flashNETZSCH . Il calore specifico e la temperatura di transizione vetrosa sono stati misurati con il DSCNETZSCH Phoenix^® . Di seguito è riportato un diagramma schematico che illustra l'approccio alla caratterizzazione.

IlDSC è stato utilizzato per studiare l'impatto dell'introduzione del CB sulle transizioni vetrose dei sistemi copolimerici. Le alterazioni marginali osservate suggeriscono che la struttura del CB all'interno dei compositi non ostacola la mobilità delle catene polimeriche, anche a concentrazioni elevate di CB, all'interno delle composizioni testate, il che è molto vantaggioso per le applicazioni che coinvolgono riscaldatori a film compositi. Un limite fondamentale dei riscaldatori elettrotermici flessibili è la loro stabilità a temperature o tensioni elevate o in caso di utilizzo prolungato. Nel tentativo di comprendere l'invecchiamento e la degradazione dei compositi polimerici che si verifica con il guasto elettrico dei dispositivi, i riscaldatori compositi 1,4-SIS-28CB, 3,4-SIS-28CB e SEPS-28CB sono stati intenzionalmente sottoposti a sovratensione (30 V) fino a quando il flusso di corrente è cessato. La temperatura di transizione vetrosa(_Tg) di ciascun film composito elettricamente guasto è stata determinata mediante analisi DSC. È stato osservato che la_Tg dei blocchi olefinici è rimasta invariata, confermando che la maggior parte della matrice copolimerica non si è degradata durante il cedimento.

Misurazione della Conduttività termicaLa conducibilità termica (λ con unità di misura W/(m-K)) descrive il trasporto di energia - sotto forma di calore - attraverso un corpo di massa come risultato di un gradiente di temperatura (vedi fig. 1). Secondo la seconda legge della termodinamica, il calore fluisce sempre nella direzione della temperatura più bassa.conduttività termica con il sistema NETZSCH LFA 467

La conducibilità termica gioca un ruolo fondamentale nei riscaldatori di film compositi, in quanto regola la capacità del materiale di distribuire il calore. Gli esperimenti sono stati condotti sui film compositi per misurare la loro Diffusività termicaLa diffusività termica (a con unità di misura mm2/s) è una proprietà specifica del materiale per caratterizzare la conduzione termica instabile. Questo valore descrive la velocità con cui un materiale reagisce a una variazione di temperatura.diffusività termica utilizzando il flash laserNETZSCH LFA 467 e la Capacità termica specifica (cp)La capacità termica è una grandezza fisica specifica del materiale, determinata dalla quantità di calore fornita al campione, divisa per l'aumento di temperatura risultante. La capacità termica specifica è correlata all'unità di massa del campione. capacità termica specifica è stata misurata sul DSC NETZSCH Phoenix^® con l'obiettivo di calcolare i valori di conducibilità termica a diversi carichi di CB.

Lo studio ha rilevato che aumentando il carico di CB dal 16 al 28% in peso si è ottenuto un significativo aumento della Conduttività termicaLa conducibilità termica (λ con unità di misura W/(m-K)) descrive il trasporto di energia - sotto forma di calore - attraverso un corpo di massa come risultato di un gradiente di temperatura (vedi fig. 1). Secondo la seconda legge della termodinamica, il calore fluisce sempre nella direzione della temperatura più bassa.conduttività termica per tutti i copolimeri studiati. Il miglioramento della Conduttività termicaLa conducibilità termica (λ con unità di misura W/(m-K)) descrive il trasporto di energia - sotto forma di calore - attraverso un corpo di massa come risultato di un gradiente di temperatura (vedi fig. 1). Secondo la seconda legge della termodinamica, il calore fluisce sempre nella direzione della temperatura più bassa.conduttività termica è stato attribuito alla capacità del CB di creare percorsi di conduzione termica attraverso l'orientamento e l'allineamento all'interno della matrice. La relazione tra la Conduttività termicaLa conducibilità termica (λ con unità di misura W/(m-K)) descrive il trasporto di energia - sotto forma di calore - attraverso un corpo di massa come risultato di un gradiente di temperatura (vedi fig. 1). Secondo la seconda legge della termodinamica, il calore fluisce sempre nella direzione della temperatura più bassa.conduttività termica e il carico di riempitivo è stata non lineare, mostrando un rapido aumento con la formazione di una rete di riempimento più perfetta. La massima conducibilità termica è stata osservata intorno ai 50-75 °C, con una leggera diminuzione fino a 150 °C dovuta alla transizione del polistirene a uno stato gommoso dopo la transizione vetrosa. La struttura olefinica intrinseca dei compositi copolimerici SIS ha contribuito alla loro maggiore conducibilità termica rispetto ai compositi SEPS.

Per valutare le prestazioni elettriche e di riscaldamento dei materiali, sono stati fabbricati dei prototipi di dispositivi di riscaldamento. L'incorporazione del CB ha migliorato la conducibilità elettrica di tutti i materiali copolimerici. Anche se sottoposti a un carico di carbonio equivalente, si nota che 1,4-SIS e 3,4-SIS presentano una maggiore conducibilità elettrica e termica rispetto a SEPS. Risulta quindi evidente che la conducibilità elettrica e termica del composito è direttamente correlata alla presenza di strutture olefiniche nei copolimeri SIS e alla concentrazione di CB.

Questo studio ha dimostrato chiaramente che per massimizzare l'efficienza dei riscaldatori elettrotermici è necessario ottimizzare la struttura e le proprietà del polimero, oltre al carico e alle proprietà del componente di riempimento elettroattivo. Se si considerano tutti i fattori rilevanti per le prestazioni del dispositivo, risulta chiaro che il composito 3,4-SIS-28CB mostra un'eccezionale Diffusività termicaLa diffusività termica (a con unità di misura mm2/s) è una proprietà specifica del materiale per caratterizzare la conduzione termica instabile. Questo valore descrive la velocità con cui un materiale reagisce a una variazione di temperatura.diffusività termica, Conduttività elettrica (SBA)La conducibilità elettrica è una proprietà fisica che indica la capacità di un materiale di consentire il trasporto di una carica elettrica.conduttività elettrica e prestazioni di riscaldamento elettrotermico rispetto ai compositi 1,4-SIS-28CB e SEPS-28CB.

Lo studio ha dimostrato che l'incorporazione del CB nella matrice polimerica migliora le proprietà elettrotermiche senza esercitare un'influenza sostanziale sulla struttura intrinseca del copolimero incontaminato; tuttavia, ha un impatto negativo sulla stabilità termo-ossidativa dei compositi ad alte temperature operative (<200 °C). Lo studio conferma che la struttura olefinica dei copolimeri SIS svolge un ruolo cruciale nel migliorare le prestazioni elettrotermiche dei riscaldatori compositi. Il composito 3,4-SIS-28CB si distingue come materiale efficiente per riscaldatori elettrotermici flessibili e leggeri, adatti per applicazioni nei veicoli elettrici e non solo.

Caso 2: Svelare gli effetti della vermiculite sui mattoni d'argilla cotti grazie a una strumentazione avanzata

_{Wang, Sen; Gainey, Lloyd; Marinelli, Julius; Deer, Brianna; Wang, Tony; Mackinnon, Ian; & Xi, Yunfei (2022); Effects of vermiculite on in-situ thermal behaviour, microstructure, physical and mechanical properties of fired clay bricks. Construction and Building Materials, 316, Articolo numero: 125828.}

I mattoni di argilla sono un elemento fondamentale dell'industria edilizia. Le prestazioni di questi mattoni sono fortemente influenzate dalla loro composizione e in questo studio i ricercatori hanno rivolto la loro attenzione a un componente meno studiato: la vermiculite naturale.

La vermiculite, un'argilla rigonfiabile, può espandersi fino a 30 volte le sue dimensioni originali quando viene riscaldata. Mentre la forma espansa della vermiculite è stata ben studiata, la vermiculite naturale è spesso trascurata come additivo per i mattoni a causa della percezione che la sua espansione quando viene riscaldata riduca la resistenza del mattone. Ma questa percezione è esatta?

Per rispondere a questa domanda, i nostri ricercatori hanno intrapreso uno studio dettagliato delle miscele vermiculite/argilla, con la vermiculite che costituisce fino al 30 % in peso della miscela. Hanno impiegato una serie di tecniche avanzate di analisi termica e complementari, tra cui l'analisi termogravimetrica (TGA), la dilatometria, la diffrazione di raggi X non in ambiente (XRD) e l'analisi laser flash (LFA) per interpretare i comportamenti termici in tempo reale ed esplorare le caratteristiche microstrutturali, fisiche e di compressione dei mattoni di argilla cotti.

Gli studi TGA e di Dilatometria (DIL) sono stati fondamentali per comprendere il comportamento termico in situ dei mattoni, mentre la XRD non ambientale ha fatto luce sui cambiamenti della mineralogia con la temperatura. LFA, invece, è stato utilizzato per determinare se l'aggiunta di vermiculite ha influenzato la Diffusività termicaLa diffusività termica (a con unità di misura mm2/s) è una proprietà specifica del materiale per caratterizzare la conduzione termica instabile. Questo valore descrive la velocità con cui un materiale reagisce a una variazione di temperatura.diffusività termica dei mattoni.

Le conclusioni tratte dallo studio evidenziano diversi risultati importanti sugli effetti dell'incorporazione della vermiculite nei mattoni di argilla cotti.

Mineralogia: Per comprendere la mineralogia di questi prodotti, è stata utilizzata la XRD non ambientale. La mineralogia delle argille è complessa. Nel campione senza vermiculite, inizialmente si osserva la deidrossilazione di caolinite e illite/mica. Il quarzo subisce una Transizioni di faseIl termine transizione di fase (o cambiamento di fase) è più comunemente usato per descrivere le transizioni tra gli stati solido, liquido e gassoso. transizione di fase dalla fase α alla fase β, accompagnata da un potenziale sviluppo di microfessure, che richiede tassi di riscaldamento controllati nella produzione industriale di mattoni. Si osserva la Reazione di decomposizioneUna reazione di decomposizione è una reazione termicamente indotta di un composto chimico che forma prodotti solidi e/o gassosi. decomposizione della calcite in calce.

Inoltre, viene chiarita l'evoluzione di altre fasi, tra cui i membri della famiglia dei feldspati, le fasi correlate alle alte temperature come la mullite e la cristobalite e la comparsa di minerali in tracce come l'anatasio. L'aggiunta di vermiculite nella miscela di argilla introduce nuove fasi e altera la composizione mineralogica, influenzando il comportamento di disidratazione della vermiculite e la temperatura di insorgenza della deidrossilazione della caolinite. Inoltre, si osserva la formazione di silicati/alluminosilicati legati al Mg e di altre fasi, influenzate dalla presenza di vermiculite e dalle interazioni minerali associate. Nel complesso, le trasformazioni mineralogiche forniscono indicazioni sul complesso comportamento termico dei mattoni di argilla e sugli effetti dell'aggiunta di vermiculite sulle loro proprietà.

La figura seguente mostra l'evoluzione della mineralogia durante il riscaldamento del campione in argilla con e senza aggiunta di vermiculite.

Comportamento termico: Tra 25 e 1150 °C, sono definite cinque diverse fasi di perdita di peso e sei fasi di dilatazione/contrazione.

La XRD non ambientale in situ sulla miscela di argilla senza vermiculite e sul campione al 30% di vermiculite mostra l'effetto dell'aggiunta di vermiculite sulla mineralogia. Le principali Transizioni di faseIl termine transizione di fase (o cambiamento di fase) è più comunemente usato per descrivere le transizioni tra gli stati solido, liquido e gassoso.transizioni di fase e la loro relazione con i dati di perdita di massa sono riassunte di seguito.

L'aggiunta di V non solo comporta una sostanziale espansione tra 450 e 750 °C, ma anche il ritiro dopo i 950 °C è esacerbato a causa del contenuto modificato e delle specie di minerali argillosi.

I dati dilatometrici suggeriscono che le variazioni dimensionali sono maggiori all'aumentare del contenuto di vermiculite. La rapida espansione osservata per un contenuto più elevato di vermiculite nell'area "4″ è causata da una forte esfoliazione della vermiculite-biotite interstratificata (vrm-bt) combinata con un leggero aumento volumetrico della vermiculite.

Le principali Transizioni di faseIl termine transizione di fase (o cambiamento di fase) è più comunemente usato per descrivere le transizioni tra gli stati solido, liquido e gassoso.transizioni di fase, come chiarito dalla XRD non in ambiente, e la loro relazione con i dati di variazione dimensionale sono riassunte di seguito.

Proprietà meccaniche e di isolamento: il ritiro per essiccazione, il ritiro per cottura e la densità aumentano notevolmente con l'aggiunta di vermiculite. La resistenza alla compressione aumenta fino al 5% con l'aggiunta di vermiculite, per poi diminuire.

Nel campione al 30% di vermiculite, tra i 450 e i 750°C sono comparse delle crepe dovute all'esfoliazione di vrm-bt e vermiculite. Nonostante la vetrificazione e il ritiro al di sopra di questa temperatura, le cricche non scompaiono del tutto neppure dopo la cottura a 1150°C.

La Diffusività termicaLa diffusività termica (a con unità di misura mm2/s) è una proprietà specifica del materiale per caratterizzare la conduzione termica instabile. Questo valore descrive la velocità con cui un materiale reagisce a una variazione di temperatura.diffusività termica del campione rimane invariata al 5% di vermiculite e aumenta al di sopra di essa, suggerendo che le proprietà isolanti sono conservate fino al 5% di vermiculite. Le proprietà meccaniche e isolanti sono riassunte di seguito.

Sulla base delle prestazioni termiche e delle proprietà meccaniche, il 5 % in peso di vermiculite grezza non trattata è considerato un rapporto ottimale da aggiungere all'impasto di argilla per la produzione di mattoni.

In sintesi, lo studio evidenzia i vantaggi significativi dell'incorporazione della vermiculite nei mattoni di argilla cotta, tra cui il miglioramento del comportamento termico, l'aumento delle proprietà meccaniche e i potenziali vantaggi in termini di sostenibilità. Questi risultati sottolineano l'importanza di esplorare nuovi materiali e tecniche per affrontare le sfide dell'industria delle costruzioni nella creazione di edifici efficienti dal punto di vista energetico e durevoli.

"Abbiamo sempre apprezzato il buon servizio"

Quando ho iniziato a lavorare al QUT nel 2015, disponevamo già di un'apparecchiatura NETZSCH (STA 449 F3 e Dilatometro). Da allora, abbiamo installato un secondo STA (2015), un Laser Flash (2015), un misuratore di flusso di calore (2016) e un DSC a bassa temperatura (Phoenix^®, 2018). Gli STA sono stati aggiornati nel 2018 per includere gli autocampionatori su entrambi gli strumenti e di nuovo nel 2020 per includere l'analisi dei gas evoluti FTIR e GCMS.

Abbiamo sempre avuto un'eccellente risposta da parte del servizio clienti di NETZSCH e il loro supporto alle applicazioni è stato eccezionale. I tempi di inattività dovuti a problemi dello strumento sono minimi. Una volta segnalato un problema, il team di NETZSCH Australia interviene immediatamente per risolvere il problema. Il team è estremamente reattivo e competente.

Il team locale di Sydney è in grado di rispondere alla maggior parte delle domande sulle applicazioni e ha accesso al team di Selb (Germania) per qualsiasi richiesta di applicazione che non è stato in grado di risolvere. Siamo stati in grado di lavorare con NETZSCH per risolvere tutti i problemi applicativi che abbiamo incontrato. Per chiarire, attualmente abbiamo 188 utenti formati. Nell'arco della vita degli strumenti, il numero di utenti che abbiamo addestrato alle competenze sarebbe più o meno 500. Gli studenti di HDR vengono, completano i loro studi e se ne vanno per altri lavori, speriamo con buone competenze!"

Liz, grazie mille per le tue profonde intuizioni su questi interessanti casi di studio! Non vediamo l'ora di continuare a sostenere la tua ricerca in futuro!