Hoe thermoplastische polymeren met behulp van DSC te analyseren

Inleiding

Differentiële scanningcalorimetrie (DSC) is de meest gebruikte techniek voor thermische analyse, waarbij het verschil in warmtestroom tussen de monsterkroes en de referentiekroes wordt bepaald aan de hand van een gecontroleerd temperatuur- en tijdprogramma. Dit levert informatie op over de endotherme en exotherme effecten van de monsters (bijvoorbeeld glasovergang, Smelttemperaturen en -getallenDe enthalpie van fusie van een stof, ook wel latente warmte genoemd, is een maat voor de energie-input, meestal warmte, die nodig is om een stof om te zetten van vaste naar vloeibare toestand. Het smeltpunt van een stof is de temperatuur waarbij de toestand verandert van vast (kristallijn) naar vloeibaar (isotroop smeltpunt). smelten, KristallisatieKristallisatie is het fysieke proces van verharding tijdens de vorming en groei van kristallen. Tijdens dit proces komt kristallisatiewarmte vrij.kristallisatie, enz.). Deze techniek wordt op grote schaal toegepast in de polymeersector vanwege de voordelen van de gebruiksvriendelijke bediening, de ge small e monstermassa’s en de snelle metingen. Voor de meeste thermoplastische polymeren is een verwarmings-koelings-herverwarmingsprogramma het meest gebruikte temperatuurprogramma. De krommen van de eerste en tweede verwarmingsfase verschillen echter doorgaans aanzienlijk, wat de vraag oproept: naar welke fase moet men kijken, de eerste of de tweede?

Smelten en KristallisatieKristallisatie is het fysieke proces van verharding tijdens de vorming en groei van kristallen. Tijdens dit proces komt kristallisatiewarmte vrij.kristallisatie zijn de meest voorkomende verschijnselen bij thermoplastische materialen. Als we Smelttemperaturen en -getallenDe enthalpie van fusie van een stof, ook wel latente warmte genoemd, is een maat voor de energie-input, meestal warmte, die nodig is om een stof om te zetten van vaste naar vloeibare toestand. Het smeltpunt van een stof is de temperatuur waarbij de toestand verandert van vast (kristallijn) naar vloeibaar (isotroop smeltpunt). smelten en KristallisatieKristallisatie is het fysieke proces van verharding tijdens de vorming en groei van kristallen. Tijdens dit proces komt kristallisatiewarmte vrij.kristallisatie als voorbeeld nemen, weerspiegelt de eerste verwarmingscurve over het algemeen de oorspronkelijke Kristalliniteit / KristalliniteitsgraadKristalliniteit verwijst naar de mate van structurele orde van een vaste stof. In een kristal is de ordening van atomen of moleculen consistent en repetitief. Veel materialen zoals glaskeramiek en sommige polymeren kunnen zo worden bereid dat er een mengsel ontstaat van kristallijne en amorfe gebieden. kristalliniteit (afhankelijk van de thermische geschiedenis) van het materiaal, toont de afkoelcurve het kristallisatiegedrag en weerspiegelt de tweede verwarmingscurve de thermische eigenschappen van het materiaal met altijd dezelfde thermische geschiedenis dankzij de vooraf gecontroleerde en reproduceerbare afkoeling. De verschillende krommen tonen het gedrag van het monster in verschillende toestanden, dus ze zijn allemaal nuttig. Welke kromme van belang is, hangt af van het doel van de test en de benodigde informatie. Deze toepassingsnota illustreert dit aan de hand van drie praktijkvoorbeelden.

1. Sommige PA6-onderdelen vertoonden scheurtjes (NOK) tijdens de montage, terwijl andere dat niet deden (OK); DSC stelt het verschil vast tussen de NOK- en OK-onderdelen.

De NOK-monsters en de OK-monsters worden getest met behulp van DSC, waarbij een standaard verwarmings-, afkoelings- en herverwarmingsprogramma wordt toegepast, met verwarmings- en afkoelsnelheden van 10 K/min. Figuren 1 en 2 tonen respectievelijk de resultaten van de eerste en de tweede verwarmingscyclus. De smeltpiektemperaturen van de twee monsters liggen tijdens de eerste verwarming dicht bij elkaar, maar de smeltenthalpie van het NOK-monster is aanzienlijk hoger dan die van het OK-monster, wat erop wijst dat de Kristalliniteit / KristalliniteitsgraadKristalliniteit verwijst naar de mate van structurele orde van een vaste stof. In een kristal is de ordening van atomen of moleculen consistent en repetitief. Veel materialen zoals glaskeramiek en sommige polymeren kunnen zo worden bereid dat er een mengsel ontstaat van kristallijne en amorfe gebieden. kristalliniteit van het NOK-materiaal hoger is (24,88%). Een hoge Kristalliniteit / KristalliniteitsgraadKristalliniteit verwijst naar de mate van structurele orde van een vaste stof. In een kristal is de ordening van atomen of moleculen consistent en repetitief. Veel materialen zoals glaskeramiek en sommige polymeren kunnen zo worden bereid dat er een mengsel ontstaat van kristallijne en amorfe gebieden. kristalliniteit betekent dat de rangschikking van de moleculaire keten regelmatiger is, waardoor het materiaal een hogere hardheid en modulus vertoont, maar een lagere taaiheid, een zwakkere weerstand tegen scheuruitbreiding en gemakkelijker scheurt. De Kristalliniteit / KristalliniteitsgraadKristalliniteit verwijst naar de mate van structurele orde van een vaste stof. In een kristal is de ordening van atomen of moleculen consistent en repetitief. Veel materialen zoals glaskeramiek en sommige polymeren kunnen zo worden bereid dat er een mengsel ontstaat van kristallijne en amorfe gebieden. mate van kristalliniteit hangt samen met het materiaal zelf (bijv. onzuiverheden, inhomogeniteit) en is ook afhankelijk van de thermische geschiedenis (verwerkingsomstandigheden, zoals matrijstemperatuur). De meetparameters zijn gedetailleerd weergegeven in tabel 1.

Tabel 1: DSC-meetparameters

Nadat het effect van de thermische geschiedenis was geëlimineerd (de afkoelsnelheid bedroeg altijd 10 K/min), bleek de smeltenthalpie van het NOK-monster tijdens de tweede verwarmingscyclus nog steeds hoger te zijn dan die van het OK-monster. Aangenomen wordt dat de belangrijkste reden voor het verschil in Kristalliniteit / KristalliniteitsgraadKristalliniteit verwijst naar de mate van structurele orde van een vaste stof. In een kristal is de ordening van atomen of moleculen consistent en repetitief. Veel materialen zoals glaskeramiek en sommige polymeren kunnen zo worden bereid dat er een mengsel ontstaat van kristallijne en amorfe gebieden. kristalliniteit tussen de twee monsters het materiaal zelf is, bijvoorbeeld vulstoffen of onzuiverheden, die verder moeten worden geanalyseerd met behulp van andere methoden (zoals TGA, spectroscopie en het testen van mechanische eigenschappen, enz.).

2. PET-korrels van verschillende fabrikanten vertonen tijdens het spinnproces een verschillend gedrag; met behulp van DSC kunnen de verschillen tussen de twee producten worden ge Identify erd.

Tijdens het spinproces vertoonde één type PET-vezel breuk, terwijl een ander type dat niet deed. Voor het onderzoek naar de pellets van de verschillende DSC-producenten werden de twee materialen gemeten met een programma van verwarmen, afkoelen en opnieuw verwarmen; de verwarmings-/afkoelsnelheid bedroeg 10 K/min. Figuren 3 en 4 tonen respectievelijk de krommen van de eerste en tweede opwarming. Monster B vertoont tijdens de eerste opwarming een glasovergang, koudekristallisatie en smelteffecten, terwijl bij monster A alleen smelteffecten worden waargenomen. Hoewel de smeltenthalpieën van de twee monsters vrijwel gelijk zijn, moet bij de vergelijking van de oorspronkelijke Kristalliniteit / KristalliniteitsgraadKristalliniteit verwijst naar de mate van structurele orde van een vaste stof. In een kristal is de ordening van atomen of moleculen consistent en repetitief. Veel materialen zoals glaskeramiek en sommige polymeren kunnen zo worden bereid dat er een mengsel ontstaat van kristallijne en amorfe gebieden. kristalliniteit van de twee monsters rekening worden gehouden met het gebied van de koudkristallisatie (21 J/g) van monster B. De kristalliniteit van monster B bedraagt 11,5 % en is daarmee aanzienlijk lager dan die van monster A, die 24,53 % bedraagt. De hogere kristalliniteit vermindert de taaiheid, waardoor het materiaal tijdens het spinnen gemakkelijk breekt. De meetparameters zijn gedetailleerd weergegeven in tabel 2.

Tabel 2: Meetparameters

Nadat het effect van de thermische geschiedenis is weggenomen, is de smeltenthalpie van de twee monsters tijdens de tweede verwarming vrijwel gelijk, wat betekent dat er geen groot verschil bestaat tussen de KristallisatieKristallisatie is het fysieke proces van verharding tijdens de vorming en groei van kristallen. Tijdens dit proces komt kristallisatiewarmte vrij.kristallisatie-eigenschappen van de twee monsters. Het verschil in kristalliniteit tijdens de eerste verwarming kan dus verband houden met de verwerkingsomstandigheden, bijvoorbeeld de afkoelsnelheid. De spinnprestaties van pellets A zouden kunnen worden verbeterd door de afkoelprocedure aan te passen om de kristalliniteitsgraad te verlagen.

3. Sommige partijen ruwe PP-korrels scheuren gemakkelijk tijdens het folievormingsproces, terwijl andere partijen van goede kwaliteit waren. Met behulp van DSC kan de oorzaak van dit probleem worden geanalyseerd.

Twee partijen OK-korrels (geen breuk) en vier partijen NOK-korrels (breuk tijdens het rekproces) zijn getest met behulp van DSC met een verwarmings-koelings-herverwarmingsprogramma en bij verwarmings-/koelsnelheden van 10 K/min. Figuren 5, 6 en 7 tonen de krommen van de eerste verwarming, afkoeling en tweede verwarming van de PP-monsters. Het gedrag van de NOK-monsters en de OK-monsters is vergelijkbaar tijdens de twee verwarmingsrondes. Tijdens het afkoelen is de kristallisatietemperatuur van de NOK-monsters (begin van de KristallisatieKristallisatie is het fysieke proces van verharding tijdens de vorming en groei van kristallen. Tijdens dit proces komt kristallisatiewarmte vrij.kristallisatie rond 119 °C) echter hoger dan die van de OK-monsters (begin van de KristallisatieKristallisatie is het fysieke proces van verharding tijdens de vorming en groei van kristallen. Tijdens dit proces komt kristallisatiewarmte vrij. kristallisatie rond 116 °C), en de helling van de rechterkant van de exotherme piek van de NOK-monsters lijkt steiler dan die van de OK-monsters, wat betekent dat de NOK-monsters ook sneller kristalliseren dan de OK-monsters. Daarom wordt verondersteld dat het breukprobleem waarschijnlijk verband houdt met het kristallisatiegedrag van de ruwe korrels. Het NOK-materiaal bevat mogelijk enkele microdeeltjes die als nucleatiemiddel fungeren, wat resulteert in een hogere kristallisatietemperatuur en een hogere kristallisatiesnelheid. Als de NOK-korrels onder dezelfde omstandigheden als de OK-korrels zouden worden verwerkt, zouden ze tijdens het uitrekken gemakkelijk breken. De meetparameters zijn samengevat in tabel 3.

Tabel 3: Meetparameters

Conclusie

Deze voorbeelden laten zien hoe DSC-verwarmings- en afkoelingscurves kunnen worden geanalyseerd in het kader van een concreet probleem (foutanalyse). De eerste DSC-verwarmingscurven geven de oorspronkelijke kristalliniteit van het materiaal weer, inclusief het effect van de thermische geschiedenis ervan. Het kristallisatiegedrag kan worden geanalyseerd aan de hand van de afkoelingscurven; de tweede verwarmingscurven tonen het thermische gedrag van het materiaal nadat de thermische geschiedenis is geëlimineerd. Foutanalyse met behulp van DSC verschilt per materiaal en verwerkingsomstandigheden; daarom moeten de resultaten van DSC-metingen worden geanalyseerd in het licht van de specifieke fout. Alle aanvullende informatie over de verwerkingsomstandigheden, zoals de verwerkingstemperatuur, is nuttig voor een juiste interpretatie van de resultaten en het trekken van de juiste conclusies.