NETZSCH Instrumenten om thermo-elektrische en bouwmateriaaltoepassingen op te lossen

Inleiding

"Mijn naam is Elizabeth Graham (foto links) en ik ben laboratoriumcoördinator voor het laboratorium voor fysische en mechanische eigenschappen in de Central Analytical Research Facility (CARF) aan de Queensland University of Technology (QUT). CARF is een groep van ongeveer 50 professionele en academische medewerkers die een portfolio van instrumenten beheert die voorziet in veel van de wetenschappelijke onderzoeksbehoeften van QUT. Mijn collega Jun Zhang (rechter foto) en ik bieden training en ondersteuning op het gebied van thermische analyse aan de onderzoeksgemeenschap van QUT, evenals test- en adviesdiensten aan Australische onderzoeks- en commerciële organisaties.

We zijn gevestigd in het hart van de stad Brisbane, Queensland, naast de botanische tuinen in een moderne, speciaal gebouwde faciliteit voor wetenschap en techniek met meer dan 600 interne klanten. Het is onze missie om operationele training te geven aan QUT HDR-studenten en andere QUT-onderzoekers, zodat ze na hun studie een praktijkgerichte training krijgen in apparatuur en het vereiste begrip om de beste resultaten te behalen met hun gegevensanalyse. Op dit moment hebben we 188 getrainde QUT gebruikers voor het hele pakket van NETZSCH instrumenten.

Casus 1: Het macromoleculaire ontwerp van poly(styreen-isopreen-styreen) (SIS) copolymeren bepaalt hun prestaties in flexibele elektrothermische composietverwarmers

_{Hiruni T. Dedduwakumara, Christopher Barner-Kowollik, Deepak Dubal, en Nathan R.B. Boase; ACS Applied Materials & InterfacesArtikel ASAP; DOI: 10.1021/acsami.3c19541;
Zie publicatie op acsami.org: ACS Publicaties}

Dit onderzoek richt zich op het verbeteren van de stabiliteit en prestaties van flexibele composiet elektrothermische verwarmers voor elektrische voertuigen. Deze verwarmers worden gebruikt in toepassingen zoals auto's, slimme ramen, ontdooiers, displays, thermotherapiepads en sensoren. Ze zijn essentieel voor het behoud van de voertuigefficiëntie bij koud weer, waarbij de verwarming van de cabine bij koud weer de actieradius van het voertuig aanzienlijk beïnvloedt. Metaallegeringen en transparante geleidende oxiden (TCO's) zijn veelgebruikte materialen voor deze toepassing, maar ze hebben beperkingen zoals ongeschikte mechanische eigenschappen voor de toepassing en materiaalschaarste.

Polymeren zijn hier onderzocht als alternatieven voor metalen verwarmingsapparaten vanwege hun lichte gewicht, flexibele aard en economische levensvatbaarheid. Pure polymeren hebben echter meestal een lage Thermische geleidbaarheidThermische geleidbaarheid (λ met de eenheid W/(m-K)) beschrijft het transport van energie - in de vorm van warmte - door een massa-lichaam als gevolg van een temperatuurgradiënt (zie fig. 1). Volgens de tweede wet van de thermodynamica stroomt warmte altijd in de richting van de lagere temperatuur.thermische geleidbaarheid en stabiliteit. Daarom richt dit onderzoek zich op composieten op basis van polymeren, bestaande uit poly(styreen-isopreen-styreen) (SIS) en gehydrogeneerd poly(styreen-ethyleen-propyleen-styreen) (SEPS) copolymeren gemengd met variërende hoeveelheden roet (CB). De rol die de aanwezigheid van olefinische bindingen en de hoeveelheid CB spelen bij het bepalen van de thermische eigenschappen werd in detail onderzocht.

Tijdens het onderzoek heeft de onderzoeker drie soorten SIS/SEPS-copolymeren en hun composieten met roet (CB) gesynthetiseerd en gekarakteriseerd. De thermische stabiliteitseigenschappen werden beoordeeld met behulp van thermogravimetrische analyse (NETZSCH Jupiter^® 449 F3 STA) in zowel inerte als oxidatieve omgevingen. De elektrothermische prestaties werden geëvalueerd door de thermische en Elektrisch geleidingsvermogen (SBA)Elektrische geleidbaarheid is een fysische eigenschap die het vermogen van een materiaal aangeeft om het transport van een elektrische lading mogelijk te maken.elektrische geleidbaarheid en de uniformiteit van de warmteverdeling te meten. Weerstand, plaatweerstand en geleidbaarheid van samengestelde dunne films werden gemeten met een KSR-4 vierpuntssondesysteem. De Thermische geleidbaarheidThermische geleidbaarheid (λ met de eenheid W/(m-K)) beschrijft het transport van energie - in de vorm van warmte - door een massa-lichaam als gevolg van een temperatuurgradiënt (zie fig. 1). Volgens de tweede wet van de thermodynamica stroomt warmte altijd in de richting van de lagere temperatuur.thermische geleidbaarheid werd gemeten met de NETZSCH laser flash analyzer. Soortelijke warmte en glasovergangstemperaturen werden gemeten met de NETZSCH DSC Phoenix^®. Hieronder staat een schematische weergave van de aanpak van de karakterisering.

DSC werd gebruikt om de invloed van de introductie van CB op de GlasovergangstemperatuurDe glasovergang is een van de belangrijkste eigenschappen van amorfe en semikristallijne materialen, zoals anorganisch glas, amorfe metalen, polymeren, farmaceutische producten en voedingsingrediënten, enz. en beschrijft het temperatuurgebied waar de mechanische eigenschappen van de materialen veranderen van hard en bros naar meer zacht, vervormbaar of rubberachtig. glasovergangen in de copolymeer systemen te bestuderen. De marginale veranderingen die werden waargenomen suggereren dat de structuur van CB binnen de composieten de mobiliteit van polymeerketens niet belemmert, zelfs niet bij verhoogde CB-concentraties, binnen de geteste samenstellingen, wat zeer gunstig is voor toepassingen met composiet filmverwarmers. Een belangrijke beperking van flexibele elektrothermische verwarmers is hun stabiliteit bij hoge temperaturen of spanning of bij langdurig gebruik. In een poging om veroudering en degradatie van polymeercomposieten te begrijpen die optreedt bij elektrische storing van apparaten, werden 1,4-SIS-28CB, 3,4-SIS-28CB en SEPS-28CB composietverwarmers opzettelijk blootgesteld aan overspanning (30 V) tot de stroom ophield. De GlasovergangstemperatuurDe glasovergang is een van de belangrijkste eigenschappen van amorfe en semikristallijne materialen, zoals anorganisch glas, amorfe metalen, polymeren, farmaceutische producten en voedingsingrediënten, enz. en beschrijft het temperatuurgebied waar de mechanische eigenschappen van de materialen veranderen van hard en bros naar meer zacht, vervormbaar of rubberachtig.glasovergangstemperatuur(_Tg) van elke elektrisch defecte composietfilm werd bepaald met DSC-analyse. Belangrijk is dat de_Tg van de olefinische blokken onveranderd bleef, wat bevestigt dat de bulk van de copolymeermatrix niet degradeerde tijdens het falen.

Thermische geleidbaarheidThermische geleidbaarheid (λ met de eenheid W/(m-K)) beschrijft het transport van energie - in de vorm van warmte - door een massa-lichaam als gevolg van een temperatuurgradiënt (zie fig. 1). Volgens de tweede wet van de thermodynamica stroomt warmte altijd in de richting van de lagere temperatuur.Thermische geleidbaarheid meten met de NETZSCH LFA 467

Thermische geleidbaarheidThermische geleidbaarheid (λ met de eenheid W/(m-K)) beschrijft het transport van energie - in de vorm van warmte - door een massa-lichaam als gevolg van een temperatuurgradiënt (zie fig. 1). Volgens de tweede wet van de thermodynamica stroomt warmte altijd in de richting van de lagere temperatuur.Thermische geleidbaarheid speelt een vitale rol in composietfilmverwarmers, omdat het het vermogen van het materiaal om warmte te verspreiden bepaalt. Er werden experimenten uitgevoerd op composietfilms om hun Thermische diffusieThermische diffusie (a met de eenheid mm2/s) is een materiaalspecifieke eigenschap voor het karakteriseren van onstabiele warmtegeleiding. Deze waarde beschrijft hoe snel een materiaal reageert op een verandering in temperatuur.thermische diffusie te meten met de NETZSCH LFA 467 laserflitser en de Specifieke warmtecapaciteit (cp)Warmtecapaciteit is een materiaalspecifieke fysische grootheid, bepaald door de hoeveelheid warmte die aan een proefstuk wordt toegevoerd, gedeeld door de resulterende temperatuurstijging. De specifieke warmtecapaciteit is gerelateerd aan een massa-eenheid van het proefstuk.specifieke warmtecapaciteit werd gemeten op de NETZSCH Phoenix^® DSC met als doel de waarden van de Thermische geleidbaarheidThermische geleidbaarheid (λ met de eenheid W/(m-K)) beschrijft het transport van energie - in de vorm van warmte - door een massa-lichaam als gevolg van een temperatuurgradiënt (zie fig. 1). Volgens de tweede wet van de thermodynamica stroomt warmte altijd in de richting van de lagere temperatuur.thermische geleidbaarheid te berekenen bij verschillende CB-beladingen.

Uit het onderzoek bleek dat het verhogen van de CB-belading van 16 wt.% tot 28 wt.% resulteerde in een significante verbetering van de Thermische geleidbaarheidThermische geleidbaarheid (λ met de eenheid W/(m-K)) beschrijft het transport van energie - in de vorm van warmte - door een massa-lichaam als gevolg van een temperatuurgradiënt (zie fig. 1). Volgens de tweede wet van de thermodynamica stroomt warmte altijd in de richting van de lagere temperatuur.thermische geleidbaarheid voor alle bestudeerde copolymeren. De verbeterde Thermische geleidbaarheidThermische geleidbaarheid (λ met de eenheid W/(m-K)) beschrijft het transport van energie - in de vorm van warmte - door een massa-lichaam als gevolg van een temperatuurgradiënt (zie fig. 1). Volgens de tweede wet van de thermodynamica stroomt warmte altijd in de richting van de lagere temperatuur.thermische geleidbaarheid werd toegeschreven aan het vermogen van CB om thermische geleidingsroutes te creëren door oriëntatie en uitlijning binnen de matrix. De relatie tussen Thermische geleidbaarheidThermische geleidbaarheid (λ met de eenheid W/(m-K)) beschrijft het transport van energie - in de vorm van warmte - door een massa-lichaam als gevolg van een temperatuurgradiënt (zie fig. 1). Volgens de tweede wet van de thermodynamica stroomt warmte altijd in de richting van de lagere temperatuur.thermische geleidbaarheid en vulstofbelasting was niet-lineair en vertoonde een snelle toename naarmate zich een perfecter vulstofnetwerk vormde. De maximale Thermische geleidbaarheidThermische geleidbaarheid (λ met de eenheid W/(m-K)) beschrijft het transport van energie - in de vorm van warmte - door een massa-lichaam als gevolg van een temperatuurgradiënt (zie fig. 1). Volgens de tweede wet van de thermodynamica stroomt warmte altijd in de richting van de lagere temperatuur.thermische geleidbaarheid werd waargenomen rond 50-75 °C, met een lichte daling tot 150 °C door de overgang van polystyreen naar een rubberachtige toestand na de GlasovergangstemperatuurDe glasovergang is een van de belangrijkste eigenschappen van amorfe en semikristallijne materialen, zoals anorganisch glas, amorfe metalen, polymeren, farmaceutische producten en voedingsingrediënten, enz. en beschrijft het temperatuurgebied waar de mechanische eigenschappen van de materialen veranderen van hard en bros naar meer zacht, vervormbaar of rubberachtig.glasovergang. De inherente olefinische structuur van SIS copolymeer composieten droeg bij aan hun hogere Thermische geleidbaarheidThermische geleidbaarheid (λ met de eenheid W/(m-K)) beschrijft het transport van energie - in de vorm van warmte - door een massa-lichaam als gevolg van een temperatuurgradiënt (zie fig. 1). Volgens de tweede wet van de thermodynamica stroomt warmte altijd in de richting van de lagere temperatuur.thermische geleidbaarheid in vergelijking met SEPS composieten.

Er werden prototypes van verwarmingsapparaten gemaakt om de elektrische en verwarmingsprestaties van de materialen te beoordelen. De toevoeging van CB verbeterde de Elektrisch geleidingsvermogen (SBA)Elektrische geleidbaarheid is een fysische eigenschap die het vermogen van een materiaal aangeeft om het transport van een elektrische lading mogelijk te maken.elektrische geleidbaarheid van alle copolymeermaterialen. Zelfs bij een gelijkwaardige koolstofbelasting is het opmerkelijk dat 1,4-SIS en 3,4-SIS een grotere elektrische en Thermische geleidbaarheidThermische geleidbaarheid (λ met de eenheid W/(m-K)) beschrijft het transport van energie - in de vorm van warmte - door een massa-lichaam als gevolg van een temperatuurgradiënt (zie fig. 1). Volgens de tweede wet van de thermodynamica stroomt warmte altijd in de richting van de lagere temperatuur.thermische geleidbaarheid hebben dan SEPS. Het is dus duidelijk dat zowel de elektrische als Thermische geleidbaarheidThermische geleidbaarheid (λ met de eenheid W/(m-K)) beschrijft het transport van energie - in de vorm van warmte - door een massa-lichaam als gevolg van een temperatuurgradiënt (zie fig. 1). Volgens de tweede wet van de thermodynamica stroomt warmte altijd in de richting van de lagere temperatuur.thermische geleidbaarheid van de composiet direct gerelateerd is aan de aanwezigheid van olefinische structuren binnen SIS-copolymeren en de concentratie CB.

Dit onderzoek toont duidelijk aan dat om de efficiëntie van elektrothermische verwarmers te maximaliseren, de polymeerstructuur en -eigenschappen geoptimaliseerd moeten worden, naast de belasting en eigenschappen van de elektroactieve vulstofcomponent. Wanneer alle relevante factoren met betrekking tot de prestaties van het apparaat in overweging worden genomen, wordt het duidelijk dat de 3,4-SIS-28CB composiet een uitzonderlijke Thermische diffusieThermische diffusie (a met de eenheid mm2/s) is een materiaalspecifieke eigenschap voor het karakteriseren van onstabiele warmtegeleiding. Deze waarde beschrijft hoe snel een materiaal reageert op een verandering in temperatuur.thermische diffusie, elektrische geleiding en elektrothermische verwarmingsprestatie vertoont in vergelijking met de 1,4-SIS-28CB en SEPS-28CB composieten.

Het onderzoek heeft aangetoond dat de opname van CB in de polymeermatrix de elektrothermische eigenschappen verbetert zonder een substantiële invloed uit te oefenen op de inherente structuur van het zuivere copolymeer; het heeft echter wel een nadelig effect op de thermo-oxidatieve stabiliteit van de composieten bij hoge bedrijfstemperaturen (<200 °C). Het onderzoek bevestigt dat de olefinische structuur in SIS-copolymeren een cruciale rol speelt bij het verbeteren van de elektrothermische prestaties van composietverwarmers. Het 3,4-SIS-28CB composiet springt eruit als een efficiënt materiaal voor flexibele en lichtgewicht elektrothermische verwarmers, geschikt voor toepassingen in elektrische voertuigen en daarbuiten.

Casus 2: De effecten van Vermiculiet op gebakken kleisteen ontrafelen met behulp van geavanceerde instrumenten

_{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. Bouw en Bouwmaterialen, 316, Artikelnummer: 125828.}

Bakstenen van klei zijn een hoofdbestanddeel van de bouwindustrie. De prestaties van deze bakstenen worden sterk beïnvloed door hun samenstelling, en in dit onderzoek richtten de onderzoekers hun aandacht op een minder bestudeerde component - natuurlijk vermiculiet.

Vermiculiet, een zwellende klei, kan bij verhitting tot 30 keer zijn oorspronkelijke grootte uitzetten. Hoewel de geëxpandeerde vorm van vermiculiet goed is bestudeerd, wordt natuurlijk vermiculiet vaak over het hoofd gezien als toevoeging aan bakstenen vanwege de perceptie dat het uitzetten ervan bij verhitting de sterkte van bakstenen vermindert. Maar klopt deze perceptie wel?

Om deze vraag te beantwoorden, begonnen onze onderzoekers aan een gedetailleerde studie van vermiculiet/klei mengsels, waarbij vermiculiet tot 30% van het mengsel uitmaakte. Ze gebruikten een reeks geavanceerde thermische analyse- en aanvullende technieken, waaronder thermogravimetrische analyse (TGA), dilatometrie, niet-ambiente röntgendiffractie (XRD) en laser-flitsanalyse (LFA) om het thermische gedrag in realtime te interpreteren en de microstructuur, fysische en drukkenmerken van gebakken kleibakstenen te onderzoeken.

De TGA- en Dilatometrie (DIL)-onderzoeken droegen bij aan het begrip van het in-situ thermische gedrag van de bakstenen, terwijl niet-ambient XRD licht wierp op de veranderingen in mineralogie met de temperatuur. Anderzijds werd LFA gebruikt om te bepalen of de toevoeging van vermiculiet de Thermische diffusieThermische diffusie (a met de eenheid mm2/s) is een materiaalspecifieke eigenschap voor het karakteriseren van onstabiele warmtegeleiding. Deze waarde beschrijft hoe snel een materiaal reageert op een verandering in temperatuur.thermische diffusie van de bakstenen beïnvloedde.

De conclusies van het onderzoek benadrukken verschillende belangrijke bevindingen met betrekking tot de effecten van het toevoegen van vermiculiet aan gebakken kleisteen.

Mineralogie: Non ambient-XRD werd gebruikt om de mineralogie van deze producten te begrijpen. De mineralogie van klei is complex. In het monster zonder vermiculiet wordt aanvankelijk dehydroxylering van kaoliniet en illiet/mica waargenomen. Kwarts ondergaat een FaseovergangenDe term faseovergang (of faseverandering) wordt meestal gebruikt om overgangen tussen de vaste, vloeibare en gasvormige toestand te beschrijven.faseovergang van α- naar β-fase, wat gepaard gaat met de ontwikkeling van mogelijke microscheurtjes, waardoor een gecontroleerde verhitting nodig is bij de industriële baksteenproductie. De ontbinding van calciet in kalk wordt waargenomen.

Verder wordt de evolutie van andere fasen, waaronder leden van de veldspaatfamilie, aan hoge temperaturen verwante fasen zoals mulliet en cristobaliet, en het verschijnen van sporenmineralen zoals anataas, opgehelderd. De toevoeging van vermiculiet aan het kleimengsel introduceert nieuwe fasen en verandert de mineralogische samenstelling, waardoor het dehydratatiegedrag van vermiculiet en de begintemperatuur van kaolinietdehydroxylering worden beïnvloed. Daarnaast wordt de vorming van Mg-gerelateerde silicaten/aluminosilicaten en andere fasen waargenomen, beïnvloed door de aanwezigheid van vermiculiet en bijbehorende minerale interacties. Over het geheel genomen geven de mineralogische transformaties inzicht in het complexe thermische gedrag van kleibakstenen en de effecten van vermiculiettoevoeging op hun eigenschappen.

De onderstaande figuur toont de evolutie van de mineralogie tijdens het verhitten van het monster in de klei met en zonder toevoeging van vermiculiet.

Thermisch gedrag: Tussen 25 en 1150 °C worden vijf verschillende gewichtsverliesstappen en zes dilatometrische/samentrekkingsstappen gedefinieerd.

Niet-omgevingseigen in-situ XRD op het kleimengsel zonder vermiculiet en het 30% vermiculietmonster toont het effect van de vermiculiettoevoeging op de mineralogie. De belangrijkste FaseovergangenDe term faseovergang (of faseverandering) wordt meestal gebruikt om overgangen tussen de vaste, vloeibare en gasvormige toestand te beschrijven.faseovergangen en hun relatie tot de massaverliesgegevens worden hieronder samengevat.

De toevoeging van V zorgt niet alleen voor een aanzienlijke expansie tussen 450 en 750 °C, maar krimp na 950 °C wordt ook verergerd door het gewijzigde gehalte en de gewijzigde soorten kleimineralen.

De dilatometriegegevens suggereren dat grotere dimensionale veranderingen worden waargenomen naarmate het vermiculietgehalte toeneemt. De snelle expansie die wordt waargenomen bij een hoger vermiculietgehalte in gebied "4″ wordt veroorzaakt door ernstige exfoliatie van gelaagd vermiculiet-biotiet (vrm-bt) in combinatie met een lichte volumetrische toename van vermiculiet.

De belangrijkste FaseovergangenDe term faseovergang (of faseverandering) wordt meestal gebruikt om overgangen tussen de vaste, vloeibare en gasvormige toestand te beschrijven.faseovergangen, zoals opgehelderd door niet-ambient XRD en hun relatie tot de gegevens over dimensieverandering, worden hieronder samengevat.

Mechanische en isolerende eigenschappen: de droogkrimp, bakkrimp en DichtheidDe massadichtheid wordt gedefinieerd als de verhouding tussen massa en volume. dichtheid nemen aanzienlijk toe bij toevoeging van vermiculiet. De druksterkte stijgt tot 5% met vermiculiettoevoeging en daalt daarna.

In het vermiculietmonster van 30% ontstonden scheuren tussen 450 en 750°C door exfoliatie van vrm-bt en vermiculiet. Ondanks verglazing en krimp boven deze temperatuur verdwijnen de scheuren niet helemaal, zelfs niet na bakken bij 1150°C.

De Thermische diffusieThermische diffusie (a met de eenheid mm2/s) is een materiaalspecifieke eigenschap voor het karakteriseren van onstabiele warmtegeleiding. Deze waarde beschrijft hoe snel een materiaal reageert op een verandering in temperatuur.thermische diffusie van het monster blijft onveranderd bij 5% vermiculiettoevoeging en neemt daarboven toe, wat suggereert dat de isolatie-eigenschappen behouden blijven tot 5% vermiculiet. De mechanische en isolatie-eigenschappen worden hieronder samengevat.

Op basis van de thermische prestaties en mechanische eigenschappen wordt 5 wt% onbehandeld vermiculiet beschouwd als een optimale verhouding om toe te voegen aan een kleimengsel voor de productie van bakstenen.

Samenvattend benadrukt het onderzoek de significante voordelen van het toevoegen van vermiculiet aan gebakken kleisteen, waaronder verbeterd thermisch gedrag, verbeterde mechanische eigenschappen en potentiële duurzaamheidsvoordelen. Deze bevindingen onderstrepen het belang van het onderzoeken van nieuwe materialen en technieken om de uitdagingen aan te gaan waarmee de bouwindustrie wordt geconfronteerd bij het creëren van energie-efficiënte en duurzame gebouwen.

"We hebben de goede service altijd gewaardeerd"

We hadden al NETZSCH apparatuur (STA 449 F3 en Dilatometer) toen ik in 2015 bij QUT begon. Sindsdien hebben we een tweede STA (2015), een Laser Flash (2015), een Heat Flow meter (2016) en een DSC bij lage temperatuur (Phoenix^®, 2018) geïnstalleerd. De STA's werden in 2018 geüpgraded met autosamplers op beide instrumenten en nogmaals in 2020 met FTIR en GCMS voor geëvolueerde gasanalyse.

We hebben altijd een uitstekende klantenservice gehad van NETZSCH en hun toepassingsondersteuning is uitstekend geweest. We hebben minimale uitvaltijd door problemen met onze instrumenten. Zodra we een probleem melden, onderneemt het team van NETZSCH Australië onmiddellijk actie om het probleem te verhelpen. Het team reageert snel en heeft veel kennis van zaken.

Het lokale team in Sydney kan de meeste vragen over toepassingen beantwoorden en ze hebben toegang tot het team in Selb (Duitsland) voor vragen over toepassingen die ze niet hebben kunnen oplossen. We hebben met NETZSCH kunnen samenwerken om elk toepassingsprobleem dat we ooit zijn tegengekomen op te lossen. Ter verduidelijking: we hebben momenteel 188 getrainde gebruikers. Gedurende de levensduur van de instrumenten zou het aantal gebruikers dat we getraind hebben eerder 500 zijn. HDR-studenten komen, ronden hun studie af en vertrekken naar andere banen, hopelijk met goede vaardigheden!"

Liz, hartelijk dank voor je diepgaande inzichten in deze interessante casestudy's! We kijken ernaar uit om je onderzoek in de toekomst te blijven ondersteunen!