Como analisar polímeros termoplásticos por meio da DSC

Introdução

A Calorimetria de Varredura Diferencial (DSC) é a técnica de análise térmica mais utilizada, na qual a diferença na taxa de fluxo de calor entre o cadinho da amostra e o cadinho de referência é determinada por meio de um programa controlado de temperatura e tempo, fornecendo informações sobre os efeitos endotérmicos e exotérmicos das amostras (por exemplo, transição vítrea, Temperaturas e entalpias de fusãoA entalpia de fusão de uma substância, também conhecida como calor latente, é uma medida da entrada de energia, normalmente calor, necessária para converter uma substância do estado sólido para o líquido. O ponto de fusão de uma substância é a temperatura na qual ela muda de estado, passando do sólido (cristalino) para o líquido (fusão isotrópica). fusão, CristalizaçãoA cristalização é o processo físico de endurecimento durante a formação e o crescimento de cristais. Durante esse processo, o calor da cristalização é liberado.cristalização, etc.). É amplamente utilizada no campo dos polímeros devido às vantagens de sua operação conveniente, massas de amostr small es e medições rápidas. Para a maioria dos polímeros termoplásticos, um programa de aquecimento-resfriamento-reaquecimento é o programa de temperatura mais comumente utilizado. No entanto, as curvas do primeiro e do segundo aquecimento costumam ser bastante diferentes, levantando a questão: qual deles deve ser levado em consideração, o primeiro ou o segundo aquecimento?

A Temperaturas e entalpias de fusãoA entalpia de fusão de uma substância, também conhecida como calor latente, é uma medida da entrada de energia, normalmente calor, necessária para converter uma substância do estado sólido para o líquido. O ponto de fusão de uma substância é a temperatura na qual ela muda de estado, passando do sólido (cristalino) para o líquido (fusão isotrópica). fusão e a CristalizaçãoA cristalização é o processo físico de endurecimento durante a formação e o crescimento de cristais. Durante esse processo, o calor da cristalização é liberado.cristalização são os efeitos mais comuns em materiais termoplásticos. Tomando a Temperaturas e entalpias de fusãoA entalpia de fusão de uma substância, também conhecida como calor latente, é uma medida da entrada de energia, normalmente calor, necessária para converter uma substância do estado sólido para o líquido. O ponto de fusão de uma substância é a temperatura na qual ela muda de estado, passando do sólido (cristalino) para o líquido (fusão isotrópica). fusão e a CristalizaçãoA cristalização é o processo físico de endurecimento durante a formação e o crescimento de cristais. Durante esse processo, o calor da cristalização é liberado.cristalização como exemplo, de modo geral, a curva do primeiro aquecimento reflete a Cristalinidade / Grau de cristalinidadeA cristalinidade refere-se ao grau de ordem estrutural de um sólido. Em um cristal, o arranjo de átomos ou moléculas é consistente e repetitivo. Muitos materiais, como vidro, cerâmica e alguns polímeros, podem ser preparados de forma a produzir uma mistura de regiões cristalinas e amorfas. cristalinidade original (dependendo do histórico térmico) do material, a curva de resfriamento mostra o comportamento de CristalizaçãoA cristalização é o processo físico de endurecimento durante a formação e o crescimento de cristais. Durante esse processo, o calor da cristalização é liberado.cristalização e a curva do segundo aquecimento reflete as propriedades térmicas do material com o mesmo histórico térmico, devido ao resfriamento controlado e reproduzível realizado anteriormente. As diferentes curvas mostram o comportamento da amostra em diferentes estados; portanto, todas elas são úteis. A escolha da curva a ser considerada depende da finalidade do teste e das informações necessárias. Esta Nota de Aplicação ilustra essa questão com três exemplos de aplicação.

1. Algumas peças de PA6 racharam (NOK) durante a montagem, enquanto outras não (OK); o DSC identifica a diferença entre as peças NOK e OK.

As amostras NOK e OK são testadas por meio de DSC, aplicando-se um programa típico de aquecimento, resfriamento e reaquecimento, com taxas de aquecimento/resfriamento de 10 K/min. As Figuras 1 e 2 mostram os resultados do primeiro e do segundo aquecimento, respectivamente. As temperaturas de pico de Temperaturas e entalpias de fusãoA entalpia de fusão de uma substância, também conhecida como calor latente, é uma medida da entrada de energia, normalmente calor, necessária para converter uma substância do estado sólido para o líquido. O ponto de fusão de uma substância é a temperatura na qual ela muda de estado, passando do sólido (cristalino) para o líquido (fusão isotrópica). fusão das duas amostras são próximas durante o primeiro aquecimento, mas a entalpia de Temperaturas e entalpias de fusãoA entalpia de fusão de uma substância, também conhecida como calor latente, é uma medida da entrada de energia, normalmente calor, necessária para converter uma substância do estado sólido para o líquido. O ponto de fusão de uma substância é a temperatura na qual ela muda de estado, passando do sólido (cristalino) para o líquido (fusão isotrópica). fusão da amostra NOK é significativamente maior do que a da amostra OK, indicando que a Cristalinidade / Grau de cristalinidadeA cristalinidade refere-se ao grau de ordem estrutural de um sólido. Em um cristal, o arranjo de átomos ou moléculas é consistente e repetitivo. Muitos materiais, como vidro, cerâmica e alguns polímeros, podem ser preparados de forma a produzir uma mistura de regiões cristalinas e amorfas. cristalinidade do material NOK é maior (24,88%). Alta Cristalinidade / Grau de cristalinidadeA cristalinidade refere-se ao grau de ordem estrutural de um sólido. Em um cristal, o arranjo de átomos ou moléculas é consistente e repetitivo. Muitos materiais, como vidro, cerâmica e alguns polímeros, podem ser preparados de forma a produzir uma mistura de regiões cristalinas e amorfas. cristalinidade significa que o arranjo da cadeia molecular é mais regular; assim, o material apresenta maior dureza e módulo, mas menor tenacidade, menor resistência à propagação de trincas e maior propensão a trincar. O Cristalinidade / Grau de cristalinidadeA cristalinidade refere-se ao grau de ordem estrutural de um sólido. Em um cristal, o arranjo de átomos ou moléculas é consistente e repetitivo. Muitos materiais, como vidro, cerâmica e alguns polímeros, podem ser preparados de forma a produzir uma mistura de regiões cristalinas e amorfas. grau de cristalinidade está relacionado ao próprio material (por exemplo, impurezas, heterogeneidade) e também depende do histórico térmico (condições de processamento, como a temperatura do molde). Os parâmetros de medição estão detalhados na tabela 1.

Tabela 1: Parâmetros de medição por DSC

Após eliminar o efeito do histórico térmico (a taxa de resfriamento foi sempre de 10 K/min), a entalpia de Temperaturas e entalpias de fusãoA entalpia de fusão de uma substância, também conhecida como calor latente, é uma medida da entrada de energia, normalmente calor, necessária para converter uma substância do estado sólido para o líquido. O ponto de fusão de uma substância é a temperatura na qual ela muda de estado, passando do sólido (cristalino) para o líquido (fusão isotrópica). fusão da amostra NOK ainda é maior do que a da amostra OK durante o segundo aquecimento. Supõe-se que a principal razão para a diferença na Cristalinidade / Grau de cristalinidadeA cristalinidade refere-se ao grau de ordem estrutural de um sólido. Em um cristal, o arranjo de átomos ou moléculas é consistente e repetitivo. Muitos materiais, como vidro, cerâmica e alguns polímeros, podem ser preparados de forma a produzir uma mistura de regiões cristalinas e amorfas. cristalinidade das duas amostras seja o próprio material, por exemplo, o enchimento ou as impurezas, que precisam ser analisados mais detalhadamente por meio de outros métodos (como TGA, espectroscopia e ensaios de propriedades mecânicas, etc.).

2. Os grânulos de PET de diferentes fabricantes apresentam comportamentos distintos durante o processo de fiação; a DSC ajuda a Identify ar as diferenças entre os dois produtos.

Durante o processo de fiação, um tipo de fibra de PET apresentou ruptura, enquanto outro não. Para a análise dos pellets de diferentes fabricantes de DSC, os dois materiais foram submetidos a um programa de aquecimento, resfriamento e reaquecimento; a taxa de aquecimento/resfriamento foi de 10 K/min. As Figuras 3 e 4 mostram as curvas do primeiro e do segundo aquecimento, respectivamente. A amostra B apresenta efeitos de transição vítrea, CristalizaçãoA cristalização é o processo físico de endurecimento durante a formação e o crescimento de cristais. Durante esse processo, o calor da cristalização é liberado.cristalização a frio e Temperaturas e entalpias de fusãoA entalpia de fusão de uma substância, também conhecida como calor latente, é uma medida da entrada de energia, normalmente calor, necessária para converter uma substância do estado sólido para o líquido. O ponto de fusão de uma substância é a temperatura na qual ela muda de estado, passando do sólido (cristalino) para o líquido (fusão isotrópica). fusão durante o primeiro aquecimento, enquanto que, para a amostra A, são detectados apenas efeitos de Temperaturas e entalpias de fusãoA entalpia de fusão de uma substância, também conhecida como calor latente, é uma medida da entrada de energia, normalmente calor, necessária para converter uma substância do estado sólido para o líquido. O ponto de fusão de uma substância é a temperatura na qual ela muda de estado, passando do sólido (cristalino) para o líquido (fusão isotrópica). fusão. Embora as entalpias de Temperaturas e entalpias de fusãoA entalpia de fusão de uma substância, também conhecida como calor latente, é uma medida da entrada de energia, normalmente calor, necessária para converter uma substância do estado sólido para o líquido. O ponto de fusão de uma substância é a temperatura na qual ela muda de estado, passando do sólido (cristalino) para o líquido (fusão isotrópica). fusão das duas amostras sejam bastante semelhantes, a área da CristalizaçãoA cristalização é o processo físico de endurecimento durante a formação e o crescimento de cristais. Durante esse processo, o calor da cristalização é liberado. cristalização a frio (21 J/g) da amostra B deve ser levada em consideração para a comparação da Cristalinidade / Grau de cristalinidadeA cristalinidade refere-se ao grau de ordem estrutural de um sólido. Em um cristal, o arranjo de átomos ou moléculas é consistente e repetitivo. Muitos materiais, como vidro, cerâmica e alguns polímeros, podem ser preparados de forma a produzir uma mistura de regiões cristalinas e amorfas. cristalinidade original das duas amostras. A Cristalinidade / Grau de cristalinidadeA cristalinidade refere-se ao grau de ordem estrutural de um sólido. Em um cristal, o arranjo de átomos ou moléculas é consistente e repetitivo. Muitos materiais, como vidro, cerâmica e alguns polímeros, podem ser preparados de forma a produzir uma mistura de regiões cristalinas e amorfas. cristalinidade da amostra B é de 11,5 %, sendo, portanto, muito inferior à da amostra A, que é de 24,53 %. A maior Cristalinidade / Grau de cristalinidadeA cristalinidade refere-se ao grau de ordem estrutural de um sólido. Em um cristal, o arranjo de átomos ou moléculas é consistente e repetitivo. Muitos materiais, como vidro, cerâmica e alguns polímeros, podem ser preparados de forma a produzir uma mistura de regiões cristalinas e amorfas. cristalinidade reduz a tenacidade, e o material se rompe facilmente durante a fiação. Os parâmetros de medição estão detalhados na tabela 2.

Tabela 2: Parâmetros de medição

Após eliminar o efeito do histórico térmico, a entalpia de Temperaturas e entalpias de fusãoA entalpia de fusão de uma substância, também conhecida como calor latente, é uma medida da entrada de energia, normalmente calor, necessária para converter uma substância do estado sólido para o líquido. O ponto de fusão de uma substância é a temperatura na qual ela muda de estado, passando do sólido (cristalino) para o líquido (fusão isotrópica). fusão das duas amostras é praticamente a mesma durante o segundo aquecimento, o que significa que não há grande diferença entre as propriedades de CristalizaçãoA cristalização é o processo físico de endurecimento durante a formação e o crescimento de cristais. Durante esse processo, o calor da cristalização é liberado. cristalização das duas amostras. Portanto, a diferença de Cristalinidade / Grau de cristalinidadeA cristalinidade refere-se ao grau de ordem estrutural de um sólido. Em um cristal, o arranjo de átomos ou moléculas é consistente e repetitivo. Muitos materiais, como vidro, cerâmica e alguns polímeros, podem ser preparados de forma a produzir uma mistura de regiões cristalinas e amorfas. cristalinidade durante o primeiro aquecimento pode estar relacionada às condições de processamento, por exemplo, à taxa de resfriamento. O desempenho de filagem dos pellets A poderia ser melhorado ajustando-se o procedimento de resfriamento para reduzir o Cristalinidade / Grau de cristalinidadeA cristalinidade refere-se ao grau de ordem estrutural de um sólido. Em um cristal, o arranjo de átomos ou moléculas é consistente e repetitivo. Muitos materiais, como vidro, cerâmica e alguns polímeros, podem ser preparados de forma a produzir uma mistura de regiões cristalinas e amorfas. grau de cristalinidade.

3. Alguns lotes de grânulos de PP brutos se rompem facilmente durante o processo de formação do filme, enquanto outros lotes apresentaram boa qualidade. Por meio da DSC, é possível analisar a causa dessa falha.

Dois lotes de grânulos OK (sem ruptura) e quatro lotes de grânulos NOK (ruptura durante o processo de estiramento) foram testados por meio de DSC com um programa de aquecimento-resfriamento-reaquecimento e a taxas de aquecimento/resfriamento de 10 K/min. As Figuras 5, 6 e 7 mostram as curvas do primeiro aquecimento, resfriamento e segundo aquecimento das amostras de PP. O comportamento das amostras NOK e OK é semelhante durante os dois ciclos de aquecimento. Durante o resfriamento, no entanto, a temperatura de CristalizaçãoA cristalização é o processo físico de endurecimento durante a formação e o crescimento de cristais. Durante esse processo, o calor da cristalização é liberado. cristalização das amostras NOK (temperatura de início em torno de 119 °C) é mais alta do que a das amostras OK (temperatura de início em torno de 116 °C), e a inclinação do lado direito do pico ExotérmicoUma transição de amostra ou uma reação é exotérmica se houver geração de calor.exotérmico das amostras NOK parece mais acentuada do que a das amostras OK, o que significa que as amostras NOK também cristalizam mais rapidamente do que as amostras OK. Portanto, supõe-se que o problema de ruptura esteja provavelmente relacionado ao comportamento de CristalizaçãoA cristalização é o processo físico de endurecimento durante a formação e o crescimento de cristais. Durante esse processo, o calor da cristalização é liberado. cristalização dos grânulos brutos. O material NOK pode conter algumas micropartículas que atuam como agente de nucleação, resultando em uma temperatura de CristalizaçãoA cristalização é o processo físico de endurecimento durante a formação e o crescimento de cristais. Durante esse processo, o calor da cristalização é liberado. cristalização mais alta e uma velocidade de CristalizaçãoA cristalização é o processo físico de endurecimento durante a formação e o crescimento de cristais. Durante esse processo, o calor da cristalização é liberado.cristalização mais rápida. Se os grânulos NOK fossem processados nas mesmas condições que os OK, eles se quebrariam facilmente durante o estiramento. Os parâmetros de medição estão resumidos na tabela 3.

Tabela 3: Parâmetros de medição

Conclusão

Esses exemplos ilustram como analisar curvas de aquecimento/resfriamento por DSC em relação a um problema concreto (análise de falhas). As primeiras curvas de aquecimento do DSC revelam a Cristalinidade / Grau de cristalinidadeA cristalinidade refere-se ao grau de ordem estrutural de um sólido. Em um cristal, o arranjo de átomos ou moléculas é consistente e repetitivo. Muitos materiais, como vidro, cerâmica e alguns polímeros, podem ser preparados de forma a produzir uma mistura de regiões cristalinas e amorfas. cristalinidade original do material, incluindo o efeito de seu histórico térmico. O comportamento de CristalizaçãoA cristalização é o processo físico de endurecimento durante a formação e o crescimento de cristais. Durante esse processo, o calor da cristalização é liberado.cristalização pode ser analisado a partir das curvas de resfriamento; as segundas curvas de aquecimento mostram o comportamento térmico do material após a eliminação dos históricos térmicos. A análise de falhas por DSC varia de acordo com os materiais e as condições de processamento; portanto, os resultados das medições de DSC devem ser analisados em função da falha específica. Qualquer informação adicional sobre as condições de processamento, como a temperatura de processamento, é útil para interpretar corretamente os resultados e tirar as conclusões corretas.