NETZSCH Instruments to Solve Thermoelectric and Building Materials Applications

Introdução

"Olá! Meu nome é Elizabeth Graham (foto à esquerda) e sou coordenadora do laboratório de propriedades físicas e mecânicas do Central Analytical Research Facility (CARF) da Queensland University of Technology (QUT). O CARF é um grupo de aproximadamente 50 profissionais e acadêmicos que gerencia um portfólio de instrumentos que atende a muitas das necessidades de pesquisa científica da QUT. Meu colega Jun Zhang (foto à direita) e eu fornecemos treinamento e suporte em análise térmica para a comunidade de pesquisa da QUT, bem como serviços de teste e consultoria para organizações comerciais e de pesquisa australianas.

Estamos localizados no coração da cidade de Brisbane, Queensland, ao lado dos jardins botânicos, em uma moderna instalação de Ciência e Engenharia construída para esse fim, com mais de 600 clientes internos. Nossa missão é fornecer treinamento operacional aos alunos da QUT HDR e a outros pesquisadores da QUT para que eles se formem com treinamento prático em equipamentos e com a compreensão necessária para obter os melhores resultados em suas análises de dados. Atualmente, temos 188 usuários treinados da QUT em todo o conjunto de instrumentos do site NETZSCH.

Caso 1: O design macromolecular dos copolímeros de poli(estireno-isopreno-estireno) (SIS) define seu desempenho em aquecedores compósitos eletrotérmicos flexíveis

_{Hiruni T. Dedduwakumara, Christopher Barner-Kowollik, Deepak Dubal e Nathan R.B. Boase; ACS Applied Materials & InterfacesArtigo ASAP; DOI: 10.1021/acsami.3c19541;
Veja a publicação em acsami.org: Publicações da ACS}

Este estudo se concentra em melhorar a estabilidade e o desempenho de aquecedores eletrotérmicos compostos flexíveis para veículos elétricos. Esses aquecedores são usados em aplicações como automóveis, janelas inteligentes, descongeladores, telas, almofadas de termoterapia e sensores. Eles são essenciais para manter a eficiência do veículo em climas frios, onde o aquecimento da cabine afeta significativamente a autonomia do veículo. As ligas metálicas e os óxidos condutores transparentes (TCOs) são materiais comuns para essa aplicação; no entanto, eles têm limitações, como propriedades mecânicas inadequadas para a aplicação e escassez de material.

Os polímeros foram explorados aqui como alternativas aos dispositivos de aquecimento de metal devido ao seu peso leve, natureza flexível e viabilidade econômica. Entretanto, os polímeros puros geralmente têm baixa Condutividade térmicaA condutividade térmica (λ com a unidade W/(m-K)) descreve o transporte de energia - na forma de calor - por um corpo de massa como resultado de um gradiente de temperatura (veja a fig. 1). De acordo com a segunda lei da termodinâmica, o calor sempre flui na direção da temperatura mais baixa.condutividade térmica e estabilidade. Assim, esta pesquisa se concentra em compósitos à base de polímeros compostos por copolímeros de poli(estireno-isopreno-estireno) (SIS) e poli(estireno-etileno-propileno-estireno) hidrogenado (SEPS) misturados com quantidades variáveis de Preto carbonoA temperatura e a atmosfera (gás de purga) afetam os resultados da mudança de massa. Ao alterar a atmosfera, por exemplo, de nitrogênio para ar durante a medição de TGA, é possível separar e quantificar os aditivos, por exemplo, o negro de fumo, e o polímero em massa.negro de fumo (CB). As funções na determinação das propriedades térmicas desempenhadas pela presença de ligações olefínicas e a carga de CB foram investigadas em detalhes.

Durante o estudo, o pesquisador sintetizou e caracterizou três tipos de copolímeros SIS/SEPS e seus compostos com Preto carbonoA temperatura e a atmosfera (gás de purga) afetam os resultados da mudança de massa. Ao alterar a atmosfera, por exemplo, de nitrogênio para ar durante a medição de TGA, é possível separar e quantificar os aditivos, por exemplo, o negro de fumo, e o polímero em massa.negro de fumo (CB). As propriedades de Estabilidade térmicaUm material é termicamente estável se não se decompõe sob a influência da temperatura. Uma maneira de determinar a estabilidade térmica de uma substância é usar um TGA (analisador termogravimétrico). estabilidade térmica foram avaliadas por meio de análise termogravimétrica (NETZSCH Jupiter^® 449 F3 STA) em ambientes inertes e oxidativos. O desempenho eletrotérmico foi avaliado medindo-se a Condutividade térmicaA condutividade térmica (λ com a unidade W/(m-K)) descreve o transporte de energia - na forma de calor - por um corpo de massa como resultado de um gradiente de temperatura (veja a fig. 1). De acordo com a segunda lei da termodinâmica, o calor sempre flui na direção da temperatura mais baixa.condutividade térmica e elétrica e a uniformidade da distribuição de calor. A resistência, a resistividade da folha e a condutividade dos filmes finos compostos foram medidas usando um sistema de sonda de quatro pontos KSR-4. A Condutividade térmicaA condutividade térmica (λ com a unidade W/(m-K)) descreve o transporte de energia - na forma de calor - por um corpo de massa como resultado de um gradiente de temperatura (veja a fig. 1). De acordo com a segunda lei da termodinâmica, o calor sempre flui na direção da temperatura mais baixa.condutividade térmica foi medida com o analisador de flash a laserNETZSCH . O calor específico e as temperaturas de Temperatura de transição do vidroA transição vítrea é uma das propriedades mais importantes dos materiais amorfos e semicristalinos, por exemplo, vidros inorgânicos, metais amorfos, polímeros, produtos farmacêuticos e ingredientes alimentícios etc., e descreve a região de temperatura em que as propriedades mecânicas dos materiais mudam de duras e quebradiças para mais macias, deformáveis ou emborrachadas.transição vítrea foram medidos com o NETZSCH DSC Phoenix^®. Um diagrama esquemático mostrando a abordagem da caracterização é mostrado abaixo.

A DSC foi usada para estudar o impacto da introdução da CB nas Temperatura de transição do vidroA transição vítrea é uma das propriedades mais importantes dos materiais amorfos e semicristalinos, por exemplo, vidros inorgânicos, metais amorfos, polímeros, produtos farmacêuticos e ingredientes alimentícios etc., e descreve a região de temperatura em que as propriedades mecânicas dos materiais mudam de duras e quebradiças para mais macias, deformáveis ou emborrachadas.transições vítreas nos sistemas de copolímero. As alterações marginais observadas sugerem que a estrutura do CB dentro dos compostos não impede a mobilidade das cadeias de polímero, mesmo em concentrações elevadas de CB, dentro das composições testadas, o que é altamente benéfico para as aplicações que envolvem aquecedores de filme composto. Uma das principais limitações dos aquecedores eletrotérmicos flexíveis é sua estabilidade em altas temperaturas ou tensões ou sob uso prolongado. Em uma tentativa de entender o envelhecimento e a degradação dos compostos de polímero que ocorre com a falha elétrica dos dispositivos, os aquecedores compostos de 1,4-SIS-28CB, 3,4-SIS-28CB e SEPS-28CB foram intencionalmente submetidos a uma sobretensão (30 V) até que o fluxo de corrente cessasse. A temperatura de Temperatura de transição do vidroA transição vítrea é uma das propriedades mais importantes dos materiais amorfos e semicristalinos, por exemplo, vidros inorgânicos, metais amorfos, polímeros, produtos farmacêuticos e ingredientes alimentícios etc., e descreve a região de temperatura em que as propriedades mecânicas dos materiais mudam de duras e quebradiças para mais macias, deformáveis ou emborrachadas.transição vítrea(_Tg) de cada filme composto com falha elétrica foi determinada por meio de análise DSC. É importante observar que a_Tg dos blocos olefínicos permaneceu inalterada, confirmando que a maior parte da matriz do copolímero não se degradou durante a falha.

Medição da Condutividade térmicaA condutividade térmica (λ com a unidade W/(m-K)) descreve o transporte de energia - na forma de calor - por um corpo de massa como resultado de um gradiente de temperatura (veja a fig. 1). De acordo com a segunda lei da termodinâmica, o calor sempre flui na direção da temperatura mais baixa.condutividade térmica usando o NETZSCH LFA 467

Os experimentos foram realizados em filmes compostos para medir sua Difusividade térmicaA difusividade térmica (a com a unidade mm2/s) é uma propriedade específica do material para caracterizar a condução de calor instável. Esse valor descreve a rapidez com que um material reage a uma mudança de temperatura.difusividade térmica usando o flash a laserNETZSCH LFA 467 e a Capacidade térmica específica (cp)A capacidade térmica é uma quantidade física específica do material, determinada pela quantidade de calor fornecida à amostra, dividida pelo aumento de temperatura resultante. A capacidade de calor específica está relacionada a uma unidade de massa do corpo de prova.capacidade de calor específico foi medida no NETZSCH Phoenix^® DSC com o objetivo de calcular os valores de Condutividade térmicaA condutividade térmica (λ com a unidade W/(m-K)) descreve o transporte de energia - na forma de calor - por um corpo de massa como resultado de um gradiente de temperatura (veja a fig. 1). De acordo com a segunda lei da termodinâmica, o calor sempre flui na direção da temperatura mais baixa.condutividade térmica em diferentes cargas de CB.

O estudo constatou que o aumento da carga de CB de 16% em peso para 28% em peso resultou em melhorias significativas na Condutividade térmicaA condutividade térmica (λ com a unidade W/(m-K)) descreve o transporte de energia - na forma de calor - por um corpo de massa como resultado de um gradiente de temperatura (veja a fig. 1). De acordo com a segunda lei da termodinâmica, o calor sempre flui na direção da temperatura mais baixa.condutividade térmica de todos os copolímeros estudados. A Condutividade térmicaA condutividade térmica (λ com a unidade W/(m-K)) descreve o transporte de energia - na forma de calor - por um corpo de massa como resultado de um gradiente de temperatura (veja a fig. 1). De acordo com a segunda lei da termodinâmica, o calor sempre flui na direção da temperatura mais baixa.condutividade térmica aprimorada foi atribuída à capacidade da CB de criar caminhos de condução térmica por meio da orientação e do alinhamento dentro da matriz. A relação entre a Condutividade térmicaA condutividade térmica (λ com a unidade W/(m-K)) descreve o transporte de energia - na forma de calor - por um corpo de massa como resultado de um gradiente de temperatura (veja a fig. 1). De acordo com a segunda lei da termodinâmica, o calor sempre flui na direção da temperatura mais baixa.condutividade térmica e a carga de enchimento foi não linear, mostrando um rápido aumento à medida que se formava uma rede de enchimento mais perfeita. A Condutividade térmicaA condutividade térmica (λ com a unidade W/(m-K)) descreve o transporte de energia - na forma de calor - por um corpo de massa como resultado de um gradiente de temperatura (veja a fig. 1). De acordo com a segunda lei da termodinâmica, o calor sempre flui na direção da temperatura mais baixa.condutividade térmica máxima foi observada em torno de 50-75 °C, com uma ligeira diminuição até 150 °C devido à transição do poliestireno para um estado de borracha após a Temperatura de transição do vidroA transição vítrea é uma das propriedades mais importantes dos materiais amorfos e semicristalinos, por exemplo, vidros inorgânicos, metais amorfos, polímeros, produtos farmacêuticos e ingredientes alimentícios etc., e descreve a região de temperatura em que as propriedades mecânicas dos materiais mudam de duras e quebradiças para mais macias, deformáveis ou emborrachadas.transição vítrea. A estrutura olefínica inerente dos compósitos de copolímero SIS contribuiu para sua maior Condutividade térmicaA condutividade térmica (λ com a unidade W/(m-K)) descreve o transporte de energia - na forma de calor - por um corpo de massa como resultado de um gradiente de temperatura (veja a fig. 1). De acordo com a segunda lei da termodinâmica, o calor sempre flui na direção da temperatura mais baixa.condutividade térmica em comparação com os compósitos SEPS.

Foram fabricados protótipos de dispositivos de aquecimento para avaliar o desempenho elétrico e de aquecimento dos materiais. A incorporação de CB aumentou a Condutividade elétrica (SBA)A condutividade elétrica é uma propriedade física que indica a capacidade de um material de permitir o transporte de uma carga elétrica.condutividade elétrica de todos os materiais de copolímero. Mesmo quando submetidos a uma carga de carbono equivalente, é digno de nota que o 1,4-SIS e o 3,4-SIS apresentam maior Condutividade elétrica (SBA)A condutividade elétrica é uma propriedade física que indica a capacidade de um material de permitir o transporte de uma carga elétrica.condutividade elétrica e térmica em comparação com o SEPS. Portanto, fica evidente que tanto a Condutividade elétrica (SBA)A condutividade elétrica é uma propriedade física que indica a capacidade de um material de permitir o transporte de uma carga elétrica.condutividade elétrica quanto a térmica do composto estão diretamente relacionadas à presença de estruturas olefínicas nos copolímeros SIS e à concentração de CB.

Este estudo demonstrou claramente que, para maximizar a eficiência dos aquecedores eletrotérmicos, a estrutura e as propriedades do polímero precisam ser otimizadas, juntamente com a carga e as propriedades do componente de carga eletroativa. Quando todos os fatores relevantes relacionados ao desempenho do dispositivo são considerados, fica claro que o composto 3,4-SIS-28CB apresenta excepcional Difusividade térmicaA difusividade térmica (a com a unidade mm2/s) é uma propriedade específica do material para caracterizar a condução de calor instável. Esse valor descreve a rapidez com que um material reage a uma mudança de temperatura.difusividade térmica, Condutividade elétrica (SBA)A condutividade elétrica é uma propriedade física que indica a capacidade de um material de permitir o transporte de uma carga elétrica.condutividade elétrica e desempenho de aquecimento eletrotérmico quando comparado aos compostos 1,4-SIS-28CB e SEPS-28CB.

O estudo demonstrou que a incorporação de CB na matriz polimérica melhora as propriedades eletrotérmicas sem exercer uma influência substancial sobre a estrutura inerente do copolímero puro; no entanto, ela tem um impacto adverso sobre a estabilidade termo-oxidativa dos compostos em altas temperaturas operacionais (<200 °C). O estudo confirma que a estrutura olefínica nos copolímeros SIS desempenha um papel crucial no aprimoramento do desempenho eletrotérmico dos aquecedores compostos. O composto 3,4-SIS-28CB se destaca como um material eficiente para aquecedores eletrotérmicos flexíveis e leves, adequados para aplicações em veículos elétricos e outros.

Caso 2: Desvendando os efeitos da vermiculita em tijolos de argila queimados usando instrumentação avançada

_{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, Número do artigo: 125828.}

Os tijolos de argila são um elemento básico do setor de construção. O desempenho desses tijolos é fortemente influenciado por sua composição e, neste estudo, os pesquisadores voltaram sua atenção para um componente menos estudado: a vermiculita natural.

A vermiculita, uma argila expansível, pode se expandir até 30 vezes seu tamanho original quando aquecida. Embora a forma expandida da vermiculita tenha sido bem estudada, a vermiculita natural é frequentemente ignorada como um aditivo para tijolos devido à percepção de que sua expansão quando aquecida reduz a resistência do tijolo. Mas será que essa percepção é correta?

Para responder a essa pergunta, nossos pesquisadores embarcaram em um estudo detalhado de misturas de vermiculita/argila, com a vermiculita constituindo até 30% em peso da mistura. Eles empregaram um conjunto de análises térmicas avançadas e técnicas complementares, incluindo análise termogravimétrica (TGA), dilatometria, difração de raios X (XRD) sem ambiente e análise de flash a laser (LFA) para interpretar comportamentos térmicos em tempo real e explorar as características microestruturais, físicas e de compressão de tijolos de argila queimados.

Os estudos de TGA e Dilatometria (DIL) foram fundamentais para compreender o comportamento térmico in-situ dos tijolos, enquanto a XRD sem ambiente esclareceu as mudanças na mineralogia com a temperatura. O LFA, por outro lado, foi usado para determinar se a adição de vermiculita afetou a Difusividade térmicaA difusividade térmica (a com a unidade mm2/s) é uma propriedade específica do material para caracterizar a condução de calor instável. Esse valor descreve a rapidez com que um material reage a uma mudança de temperatura.difusividade térmica dos tijolos.

As conclusões do estudo destacam várias descobertas importantes sobre os efeitos da incorporação de vermiculita em tijolos de argila cozida.

Mineralogia: A DRX sem ambiente foi usada para entender a mineralogia desses produtos. A mineralogia das argilas é complexa. Na amostra sem vermiculita, inicialmente, observa-se a desidroxilação da caulinita e da ilita/mica. O quartzo passa por uma Transições de faseO termo transição de fase (ou mudança de fase) é mais comumente usado para descrever transições entre os estados sólido, líquido e gasoso.transição de fase da fase α para a fase β, acompanhada pelo possível desenvolvimento de microfissuras, o que exige taxas de aquecimento controladas na produção industrial de tijolos. É observada a Reação de decomposiçãoUma reação de decomposição é uma reação induzida termicamente de um composto químico que forma produtos sólidos e/ou gasosos. decomposição da calcita em cal.

Além disso, é elucidada a evolução de outras fases, incluindo membros da família dos feldspatos, fases relacionadas a altas temperaturas, como mulita e cristobalita, e o surgimento de minerais residuais, como anatásio. A adição de vermiculita na mistura de argila introduz novas fases e altera a composição mineralógica, afetando o comportamento de desidratação da vermiculita e a temperatura de início da desidroxilação da caulinita. Além disso, observa-se a formação de silicatos/aluminossilicatos relacionados ao Mg e outras fases, influenciadas pela presença de vermiculita e interações minerais associadas. De modo geral, as transformações mineralógicas fornecem informações sobre o complexo comportamento térmico dos tijolos de argila e os efeitos da adição de vermiculita em suas propriedades.

A figura abaixo mostra a evolução da mineralogia à medida que a amostra é aquecida na argila com e sem adição de vermiculita.

Comportamento térmico: Entre 25 e 1150 °C, são definidas cinco etapas diferentes de perda de peso e seis etapas de dilatometria/contração.

A XRD in-situ não ambiental na mistura de argila sem vermiculita e na amostra de 30% de vermiculita mostra o efeito da adição de vermiculita na mineralogia. As principais Transições de faseO termo transição de fase (ou mudança de fase) é mais comumente usado para descrever transições entre os estados sólido, líquido e gasoso.transições de fase e sua relação com os dados de perda de massa estão resumidas abaixo.

A adição de V não só traz uma expansão substancial entre 450 e 750 °C, mas o encolhimento após 950 °C também é exacerbado devido ao conteúdo modificado e às espécies de minerais de argila.

Os dados de dilatometria sugerem que mudanças dimensionais maiores são observadas à medida que o teor de vermiculita aumenta. A rápida expansão observada para um teor mais alto de vermiculita na área "4″ é causada pela esfoliação severa da vermiculita-biotita interstratificada (vrm-bt) combinada com um leve aumento volumétrico da vermiculita.

As principais Transições de faseO termo transição de fase (ou mudança de fase) é mais comumente usado para descrever transições entre os estados sólido, líquido e gasoso.transições de fase, conforme elucidadas por XRD sem ambiente e sua relação com os dados de alteração dimensional, estão resumidas abaixo.

Propriedades mecânicas e de isolamento: a retração de secagem, a retração de queima e a DensidadeA densidade de massa é definida como a relação entre massa e volume. densidade aumentam consideravelmente com a adição de vermiculita. A resistência à compressão aumenta até 5% com a adição de vermiculita e depois cai.

Na amostra com 30% de vermiculita, surgiram rachaduras entre 450 e 750°C devido à esfoliação do vrm-bt e da vermiculita. Apesar da vitrificação e do encolhimento acima dessa temperatura, as rachaduras não desaparecem totalmente mesmo após a queima a 1150°C.

A Difusividade térmicaA difusividade térmica (a com a unidade mm2/s) é uma propriedade específica do material para caracterizar a condução de calor instável. Esse valor descreve a rapidez com que um material reage a uma mudança de temperatura.difusividade térmica da amostra permanece inalterada com a adição de 5% de vermiculita e aumenta acima disso, sugerindo que as propriedades de isolamento são preservadas até 5% de vermiculita. As propriedades mecânicas e de isolamento estão resumidas abaixo.

Com base no desempenho térmico e nas propriedades mecânicas, considera-se que 5% em peso de vermiculita bruta e não tratada é a proporção ideal a ser adicionada a uma mistura de argila para a produção de tijolos.

Em resumo, o estudo destaca os benefícios significativos da incorporação de vermiculita em tijolos de argila cozida, incluindo melhor comportamento térmico, propriedades mecânicas aprimoradas e possíveis vantagens de sustentabilidade. Essas descobertas ressaltam a importância da exploração de novos materiais e técnicas para enfrentar os desafios enfrentados pelo setor de construção na criação de edifícios duráveis e com eficiência energética.

"Sempre apreciamos o bom atendimento"

Já tínhamos equipamentos NETZSCH instalados (STA 449 F3 e Dilatômetro) quando comecei a trabalhar na QUT em 2015. Desde então, instalamos um segundo STA (2015), um Laser Flash (2015), um medidor de fluxo de calor (2016) e um DSC de baixa temperatura (Phoenix^®, 2018). Os STAs foram atualizados em 2018 para incluir amostradores automáticos em ambos os instrumentos e novamente em 2020 para incluir análise de gás evoluído FTIR e GCMS.

Sempre tivemos uma excelente resposta de atendimento ao cliente da NETZSCH e seu suporte a aplicativos tem sido excelente. Nosso tempo de inatividade é mínimo devido a problemas com os instrumentos. Quando relatamos um problema, a equipe do NETZSCH Australia toma medidas imediatas para começar a corrigir o problema. A equipe é extremamente ágil e bem informada.

A equipe local em Sydney pode responder à maioria das perguntas sobre aplicativos e tem acesso à equipe em Selb (Alemanha) para quaisquer solicitações de aplicativos que não tenha conseguido resolver. Conseguimos trabalhar com a NETZSCH para resolver todos os problemas de aplicativos que já encontramos. Para esclarecer, atualmente temos 188 usuários treinados. Ao longo da vida útil dos instrumentos, o número de usuários que treinamos até a competência seria mais ou menos 500. Os alunos da HDR vêm, concluem seus estudos e partem para outros empregos, com sorte, com boas habilidades!"

Liz, muito obrigado por suas profundas percepções sobre esses interessantes estudos de caso! Esperamos continuar apoiando sua pesquisa no futuro!