NETZSCH Instruments to Solve Thermoelectric and Building Materials Applications

Wprowadzenie

"Cześć! Nazywam się Elizabeth Graham (na zdjęciu po lewej) i jestem koordynatorem laboratorium właściwości fizycznych i mechanicznych w Central Analytical Research Facility (CARF) na Queensland University of Technology (QUT). CARF to grupa około 50 profesjonalnych i akademickich pracowników zarządzających portfelem instrumentów, które obsługują wiele potrzeb badawczych opartych na nauce w QUT. Mój kolega Jun Zhang (na zdjęciu po prawej) i ja zapewniamy szkolenia i wsparcie w zakresie analizy termicznej dla społeczności badawczej QUT, a także usługi testowe i konsultingowe dla australijskich organizacji badawczych i komercyjnych.

Znajdujemy się w samym sercu miasta Brisbane w stanie Queensland, w sąsiedztwie ogrodów botanicznych, w nowoczesnym, specjalnie wybudowanym obiekcie naukowo-inżynieryjnym z ponad 600 klientami wewnętrznymi. Naszą misją jest zapewnienie szkolenia operacyjnego studentom QUT HDR i innym badaczom QUT, tak aby ukończyli studia z praktycznym szkoleniem na sprzęcie wraz z niezbędnym zrozumieniem, aby uzyskać najlepsze wyniki z analizy danych. Obecnie mamy 188 przeszkolonych użytkowników QUT z całego zestawu instrumentów NETZSCH.

Przypadek 1: Makromolekularna konstrukcja kopolimerów poli(styren-izopren-styren) (SIS) określa ich wydajność w elastycznych elektrotermicznych grzejnikach kompozytowych

_{Hiruni T. Dedduwakumara, Christopher Barner-Kowollik, Deepak Dubal i Nathan R.B. Boase; ACS Applied Materials & InterfacesArtykuł ASAP; DOI: 10.1021/acsami.3c19541;
Zobacz publikację na stronie acsami.org: ACS Publications}

Niniejsze badanie koncentruje się na poprawie stabilności i wydajności elastycznych kompozytowych grzejników elektrotermicznych do pojazdów elektrycznych. Grzejniki te są wykorzystywane w takich zastosowaniach, jak samochody, inteligentne okna, odmrażacze, wyświetlacze, podkładki termoterapeutyczne i czujniki. Są one niezbędne do utrzymania wydajności pojazdu w niskich temperaturach, gdzie ogrzewanie kabiny w niskich temperaturach znacząco wpływa na zasięg pojazdu. Stopy metali i przezroczyste tlenki przewodzące (TCO) są powszechnymi materiałami do tego zastosowania; mają jednak ograniczenia, takie jak nieodpowiednie właściwości mechaniczne dla aplikacji i niedobór materiałów.

Polimery zostały tutaj zbadane jako alternatywa dla metalowych urządzeń grzewczych ze względu na ich niewielką wagę, elastyczny charakter i opłacalność ekonomiczną. Jednak czyste polimery mają zwykle niską przewodność cieplną i stabilność. Dlatego też niniejsze badania koncentrują się na kompozytach na bazie polimerów składających się z kopolimerów poli(styren-izopren-styren) (SIS) i uwodornionego poli(styren-etylen-propylen-styren) (SEPS) zmieszanych z różnymi ilościami sadzy (CB). Szczegółowo zbadano rolę, jaką w określaniu właściwości termicznych odgrywa obecność wiązań olefinowych i NapięcieOdkształcenie opisuje deformację materiału, który jest obciążony mechanicznie przez siłę zewnętrzną lub naprężenie. Mieszanki gumowe wykazują właściwości pełzania, jeśli zastosowane zostanie obciążenie statyczne.obciążenie CB.

W trakcie badań zsyntetyzowano i scharakteryzowano trzy rodzaje kopolimerów SIS/SEPS oraz ich kompozyty z sadzą (CB). Właściwości stabilności termicznej oceniono za pomocą analizy termograwimetrycznej (NETZSCH Jupiter^® 449 F3 STA) zarówno w środowisku obojętnym, jak i utleniającym. Wydajność elektrotermiczna została oceniona poprzez pomiar przewodności cieplnej i elektrycznej oraz równomierności rozkładu ciepła. Rezystancja, rezystywność powierzchniowa i przewodność cienkich warstw kompozytowych zostały zmierzone przy użyciu czteropunktowego systemu pomiarowego KSR-4. Przewodność cieplną zmierzono za pomocą laserowego analizatora błyskuNETZSCH . Ciepło właściwe i temperaturę zeszklenia zmierzono za pomocą analizatora NETZSCH DSC Phoenix^®. Schemat przedstawiający podejście do charakteryzacji przedstawiono poniżej.

DSC wykorzystano do zbadania wpływu wprowadzenia CB na Temperatura zeszkleniaPrzejście szkliste jest jedną z najważniejszych właściwości materiałów amorficznych i półkrystalicznych, np. szkieł nieorganicznych, metali amorficznych, polimerów, farmaceutyków i składników żywności itp. i opisuje obszar temperatury, w którym właściwości mechaniczne materiałów zmieniają się z twardych i kruchych na bardziej miękkie, odkształcalne lub gumowate. przejścia szkliste w układach kopolimerowych. Zaobserwowane marginalne zmiany sugerują, że struktura CB w kompozytach nie utrudnia mobilności łańcuchów polimerowych, nawet przy podwyższonych stężeniach CB, w badanych kompozycjach, co jest bardzo korzystne dla zastosowań obejmujących kompozytowe grzejniki foliowe. Kluczowym ograniczeniem elastycznych grzałek elektrotermicznych jest ich stabilność w wysokich temperaturach lub napięciu lub przy długotrwałym użytkowaniu. Próbując zrozumieć starzenie się i degradację kompozytów polimerowych, która występuje wraz z awarią elektryczną urządzeń, grzałki kompozytowe 1,4-SIS-28CB, 3,4-SIS-28CB i SEPS-28CB zostały celowo poddane przepięciu (30 V), aż do ustania przepływu prądu. Temperaturę zeszklenia(_Tg) każdej elektrycznie uszkodzonej folii kompozytowej określono za pomocą analizy DSC. Co ważne, zaobserwowano, że _Tg bloków olefinowych pozostała niezmieniona, potwierdzając, że większość matrycy kopolimerowej nie uległa degradacji podczas awarii.

Pomiar przewodności cieplnej za pomocą NETZSCH LFA 467

Przewodność cieplnaPrzewodność cieplna (λ z jednostką W/(m-K)) opisuje transport energii - w postaci ciepła - przez ciało o masie w wyniku gradientu temperatury (patrz rys. 1). Zgodnie z drugą zasadą termodynamiki, ciepło zawsze przepływa w kierunku niższej temperatury.Przewodność cieplna odgrywa istotną rolę w ogrzewaniu folii kompozytowych, ponieważ reguluje zdolność materiału do rozprowadzania ciepła. Eksperymenty przeprowadzono na foliach kompozytowych w celu zmierzenia ich dyfuzyjności cieplnej za pomocą lampy laserowejNETZSCH LFA 467, a pojemność cieplną właściwą zmierzono na NETZSCH Phoenix^® DSC w celu obliczenia wartości przewodności cieplnej przy różnych obciążeniach CB.

Badanie wykazało, że zwiększenie obciążenia CB z 16% mas. do 28% mas. spowodowało znaczny wzrost przewodności cieplnej dla wszystkich badanych kopolimerów. Poprawa przewodności cieplnej została przypisana zdolności CB do tworzenia ścieżek przewodzenia ciepła poprzez orientację i wyrównanie w matrycy. Zależność między przewodnością cieplną a obciążeniem wypełniaczem była nieliniowa, wykazując szybki wzrost w miarę tworzenia się bardziej doskonałej sieci wypełniacza. Maksymalne przewodnictwo cieplne zaobserwowano około 50-75 °C, z niewielkim spadkiem do 150 °C z powodu przejścia polistyrenu w stan gumy po przejściu szklistym. Nieodłączna struktura olefinowa kompozytów kopolimerowych SIS przyczyniła się do ich wyższej przewodności cieplnej w porównaniu z kompozytami SEPS.

Prototypowe urządzenia grzewcze zostały wyprodukowane w celu oceny wydajności elektrycznej i grzewczej materiałów. Włączenie CB zwiększyło przewodność elektryczną wszystkich materiałów kopolimerowych. Nawet przy równoważnym obciążeniu węglem, warto zauważyć, że 1,4-SIS i 3,4-SIS wykazują większą przewodność elektryczną i cieplną w porównaniu do SEPS. Dlatego staje się oczywiste, że zarówno Przewodność elektryczna (SBA)Przewodność elektryczna to właściwość fizyczna określająca zdolność materiału do umożliwienia transportu ładunku elektrycznego.przewodność elektryczna, jak i cieplna kompozytu jest bezpośrednio związana z obecnością struktur olefinowych w kopolimerach SIS i stężeniem CB.

Badanie to wyraźnie wykazało, że aby zmaksymalizować wydajność grzejników elektrotermicznych, należy zoptymalizować strukturę i właściwości polimeru, a także ładunek i właściwości elektroaktywnego wypełniacza. Biorąc pod uwagę wszystkie istotne czynniki związane z wydajnością urządzenia, staje się jasne, że kompozyt 3,4-SIS-28CB wykazuje wyjątkową dyfuzyjność cieplną, przewodność elektryczną i wydajność ogrzewania elektrotermicznego w porównaniu z kompozytami 1,4-SIS-28CB i SEPS-28CB.

Badanie wykazało, że włączenie CB do matrycy polimerowej poprawia właściwości elektrotermiczne bez wywierania znaczącego wpływu na strukturę czystego kopolimeru; ma jednak niekorzystny wpływ na stabilność termooksydacyjną kompozytów w wysokich temperaturach roboczych (<200 °C). Badanie potwierdza, że struktura olefinowa w kopolimerach SIS odgrywa kluczową rolę w zwiększaniu wydajności elektrotermicznej grzejników kompozytowych. Kompozyt 3,4-SIS-28CB wyróżnia się jako wydajny materiał na elastyczne i lekkie grzałki elektrotermiczne, odpowiednie do zastosowań w pojazdach elektrycznych i nie tylko.

Przypadek 2: Rozwikłanie wpływu wermikulitu na wypalane cegły gliniane przy użyciu zaawansowanego oprzyrządowania

_{Wang, Sen; Gainey, Lloyd; Marinelli, Julius; Deer, Brianna; Wang, Tony; Mackinnon, Ian; & Xi, Yunfei (2022); Wpływ wermikulitu na zachowanie termiczne in situ, mikrostrukturę, właściwości fizyczne i mechaniczne wypalanych cegieł glinianych. Materiały budowlane i konstrukcyjne, 316, numer artykułu: 125828.}

Cegły gliniane są podstawą przemysłu budowlanego. Na wydajność tych cegieł duży wpływ ma ich skład, a w tym badaniu naukowcy zwrócili uwagę na mniej zbadany składnik - naturalny wermikulit.

Wermikulit, pęczniejąca glina, po podgrzaniu może powiększyć się nawet 30-krotnie. Podczas gdy rozszerzona forma wermikulitu została dobrze zbadana, naturalny wermikulit jest często pomijany jako dodatek do cegieł ze względu na przekonanie, że jego rozszerzanie się po podgrzaniu zmniejsza wytrzymałość cegły. Ale czy to przekonanie jest prawdziwe?

Aby odpowiedzieć na to pytanie, nasi naukowcy rozpoczęli szczegółowe badania mieszanek wermikulitu i gliny, w których wermikulit stanowił do 30% wagowych mieszanki. Zastosowali zestaw zaawansowanych analiz termicznych i technik uzupełniających, w tym analizę termograwimetryczną (TGA), dylatometrię, dyfrakcję rentgenowską (XRD) i laserową analizę błyskową (LFA), aby zinterpretować zachowania termiczne w czasie rzeczywistym i zbadać mikrostrukturę, właściwości fizyczne i ściskanie wypalanych cegieł glinianych.

Badania TGA i dylatometrii (DIL) odegrały kluczową rolę w zrozumieniu zachowania termicznego cegieł in-situ, podczas gdy nieambientowa XRD rzuciła światło na zmiany mineralogii wraz z temperaturą. Z drugiej strony, LFA wykorzystano do określenia, czy dodatek wermikulitu wpłynął na dyfuzyjność termiczną cegieł.

Wnioski wyciągnięte z badania podkreślają kilka ważnych ustaleń dotyczących skutków włączenia wermikulitu do wypalanych cegieł glinianych.

Mineralogia: Aby zrozumieć mineralogię tych produktów, zastosowano metodę XRD. Mineralogia gliny jest złożona. W próbce bez wermikulitu początkowo obserwuje się dehydroksylację kaolinitu i illitu/miki. Kwarc przechodzi przemianę fazową z fazy α do fazy β, której towarzyszy potencjalny rozwój mikropęknięć, co wymaga kontrolowanych szybkości ogrzewania w przemysłowej produkcji cegieł. Obserwuje się Reakcja rozkładuReakcja rozkładu to wywołana termicznie reakcja związku chemicznego tworząca produkty stałe i/lub gazowe. rozkład kalcytu do wapna.

Ponadto wyjaśniono ewolucję innych faz, w tym członków rodziny skaleni, faz związanych z wysokimi temperaturami, takich jak mulit i krystobalit, oraz pojawienie się minerałów śladowych, takich jak anataz. Dodanie wermikulitu do mieszaniny gliny wprowadza nowe fazy i zmienia skład mineralogiczny, wpływając na odwodnienie wermikulitu i temperaturę początkową dehydroksylacji kaolinitu. Dodatkowo obserwuje się powstawanie krzemianów/glinokrzemianów związanych z Mg i innych faz, na które wpływa obecność wermikulitu i związane z nim interakcje mineralne. Ogólnie rzecz biorąc, przemiany mineralogiczne zapewniają wgląd w złożone zachowanie termiczne cegieł glinianych i wpływ dodatku wermikulitu na ich właściwości.

Poniższy rysunek przedstawia ewolucję mineralogii podczas ogrzewania próbki w glinie z dodatkiem wermikulitu i bez niego.

Zachowanie termiczne: Pomiędzy 25 a 1150 °C zdefiniowano pięć różnych stopni utraty masy i sześć stopni dylatometrycznych/kurczenia.

Badanie XRD in situ mieszaniny gliny bez wermikulitu i próbki zawierającej 30% wermikulitu pokazuje wpływ dodatku wermikulitu na mineralogię. Poniżej podsumowano główne Przejścia fazoweTermin przejście fazowe (lub zmiana fazy) jest najczęściej używany do opisania przejść między stanem stałym, ciekłym i gazowym.przejścia fazowe i ich związek z danymi dotyczącymi utraty masy.

Dodatek wermikulitu nie tylko powoduje znaczną ekspansję w zakresie od 450 do 750 °C, ale także zaostrza skurcz po 950 °C ze względu na zmodyfikowaną zawartość i gatunek minerałów ilastych.

Dane dylatometryczne sugerują, że wraz ze wzrostem zawartości wermikulitu obserwuje się większe zmiany wymiarowe. Gwałtowna ekspansja obserwowana dla wyższej zawartości wermikulitu w obszarze "4" jest spowodowana silną eksfoliacją międzywarstwowego wermikulitu-biotytu (vrm-bt) w połączeniu z niewielkim wzrostem objętości wermikulitu.

Poniżej podsumowano główne Przejścia fazoweTermin przejście fazowe (lub zmiana fazy) jest najczęściej używany do opisania przejść między stanem stałym, ciekłym i gazowym.przejścia fazowe, jak wyjaśniono za pomocą XRD w warunkach innych niż atmosferyczne, oraz ich związek z danymi dotyczącymi zmian wymiarów.

Właściwości mechaniczne i izolacyjne: skurcz suszenia, skurcz wypalania i gęstość znacznie wzrastają po dodaniu wermikulitu. Wytrzymałość na ściskanie wzrasta do 5% z dodatkiem wermikulitu, a następnie spada.

W próbce zawierającej 30% wermikulitu pojawiły się pęknięcia między 450 a 750°C z powodu eksfoliacji vrm-bt i wermikulitu. Pomimo zeszklenia i skurczu powyżej tej temperatury, pęknięcia nie znikają całkowicie nawet po wypaleniu w temperaturze 1150°C.

Dyfuzyjność cieplna próbki pozostaje niezmieniona przy 5% dodatku wermikulitu i wzrasta powyżej tej wartości, co sugeruje, że właściwości izolacyjne są zachowane do 5% wermikulitu. Właściwości mechaniczne i izolacyjne podsumowano poniżej.

W oparciu o właściwości termiczne i mechaniczne, 5% wag. surowego, nieprzetworzonego wermikulitu jest uważane za optymalny stosunek do dodania do mieszanki gliny do produkcji cegieł.

Podsumowując, badanie podkreśla znaczące korzyści płynące z włączenia wermikulitu do wypalanych cegieł glinianych, w tym lepsze właściwości termiczne, lepsze właściwości mechaniczne i potencjalne korzyści dla zrównoważonego rozwoju. Wyniki te podkreślają znaczenie badania nowych materiałów i technik w celu sprostania wyzwaniom stojącym przed branżą budowlaną w zakresie tworzenia energooszczędnych i trwałych budynków.

"Zawsze docenialiśmy dobrą obsługę"

Mieliśmy już sprzęt NETZSCH (STA 449 F3 i dylatometr), kiedy zacząłem pracę w QUT w 2015 roku. Od tego czasu zainstalowaliśmy drugi STA (2015), Laser Flash (2015), miernik przepływu ciepła (2016) i niskotemperaturowy DSC (Phoenix^®, 2018). STA zostały zmodernizowane w 2018 r., aby objąć autosamplery na obu instrumentach i ponownie w 2020 r., aby objąć FTIR i GCMS ewolucyjną analizę gazu.

Zawsze mieliśmy doskonałą reakcję obsługi klienta ze strony NETZSCH, a ich wsparcie aplikacji było znakomite. Mamy minimalne przestoje z powodu problemów z instrumentami. Po zgłoszeniu problemu zespół NETZSCH Australia podejmuje natychmiastowe działania w celu jego usunięcia. Zespół jest niezwykle elastyczny i kompetentny.

Lokalny zespół w Sydney może odpowiedzieć na większość pytań dotyczących aplikacji i ma dostęp do zespołu w Selb (Niemcy) w przypadku wszelkich zapytań dotyczących aplikacji, których nie byli w stanie rozwiązać. Byliśmy w stanie współpracować z NETZSCH, aby rozwiązać każdy problem z aplikacjami, jaki kiedykolwiek napotkaliśmy. Dla wyjaśnienia, obecnie mamy 188 przeszkolonych użytkowników. W całym okresie eksploatacji przyrządów liczba użytkowników, których przeszkoliliśmy w zakresie kompetencji, wyniesie około 500. Studenci HDR przychodzą, a następnie kończą studia i odchodzą do innych miejsc pracy, miejmy nadzieję z dobrymi umiejętnościami!"

Liz, bardzo dziękujemy za dogłębny wgląd w te interesujące studia przypadków! Z niecierpliwością czekamy na dalsze wspieranie twoich badań w przyszłości!