Cum se analizează polimerii termoplastici cu ajutorul DSC

Introducere

Calorimetria diferențială de scanare (DSC) este cea mai frecvent utilizată tehnică de analiză termică, în cadrul căreia se determină diferența dintre debitul de căldură al creuzetului cu proba și cel al creuzetului de referință, cu ajutorul unui program controlat de temperatură și timp, oferind informații despre efectele EndotermiceO tranziție de probă sau o reacție este endotermă dacă este nevoie de căldură pentru conversie.endotermice și exotermice ale probelor (de exemplu, tranziția vitroasă, topirea, cristalizarea etc.). Această tehnică este utilizată pe scară largă în domeniul polimerilor datorită avantajelor sale: operarea convenabilă, masele e small e ale probelor și măsurătorile rapide. Pentru majoritatea polimerilor termoplastici, programul de încălzire-răcire-reîncălzire este cel mai frecvent utilizat program de temperatură. Cu toate acestea, curbele primei și celei de-a doua încălziri sunt de obicei destul de diferite, ceea ce ridică întrebarea: care dintre ele ar trebui luată în considerare, prima sau a doua încălzire?

Topirea și cristalizarea sunt cele mai frecvente efecte în cazul materialelor termoplastice. Luând topirea și cristalizarea ca exemplu, în general, prima curbă de încălzire reflectă cristalinitatea inițială (în funcție de istoricul termic) a materialului, curba de răcire arată comportamentul de CristalizareCristalizarea este procesul fizic de întărire în timpul formării și creșterii cristalelor. În timpul acestui proces, căldura de cristalizare este eliberată.cristalizare, iar a doua curbă de încălzire reflectă proprietățile termice ale materialului cu același istoric termic, datorită răcirii controlate și reproductibile efectuate anterior. Curbele diferite ilustrează comportamentul probei în stări diferite, astfel încât toate sunt utile. Alegerea curbei relevante depinde de scopul testului și de informațiile necesare. Această Notă de aplicare ilustrează această problemă cu ajutorul a trei exemple de aplicare.

1. Unele piese din PA6 s-au fisurat (NOK) în timpul asamblării, în timp ce altele nu (OK); DSC identifică diferența dintre piesele NOK și cele OK.

Probele NOK și OK sunt testate prin DSC, aplicându-se un program tipic de încălzire, răcire și reîncălzire, cu viteze de încălzire/răcire de 10 K/min. Figurile 1 și 2 prezintă rezultatele primei și, respectiv, celei de-a doua încălziri. Temperaturile maxime de Temperaturile și entalpiile de topireEntalpia de fuziune a unei substanțe, cunoscută și sub denumirea de căldură latentă, este o măsură a aportului de energie, de obicei căldură, care este necesară pentru a transforma o substanță din stare solidă în stare lichidă. Punctul de topire al unei substanțe este temperatura la care aceasta își schimbă starea din solid (cristalin) în lichid (topitură izotropică). topire ale celor două probe sunt apropiate în timpul primei încălziri, dar entalpia de Temperaturile și entalpiile de topireEntalpia de fuziune a unei substanțe, cunoscută și sub denumirea de căldură latentă, este o măsură a aportului de energie, de obicei căldură, care este necesară pentru a transforma o substanță din stare solidă în stare lichidă. Punctul de topire al unei substanțe este temperatura la care aceasta își schimbă starea din solid (cristalin) în lichid (topitură izotropică). topire a probei NOK este semnificativ mai mare decât cea a probei OK, indicând faptul că cristalinitatea materialului NOK este mai mare (24,88%). O Cristalinitate / grad de cristalinitateCristalinitatea se referă la gradul de ordine structurală a unui solid. Într-un cristal, dispunerea atomilor sau a moleculelor este consecventă și repetitivă. Multe materiale, cum ar fi vitroceramica și unii polimeri, pot fi preparate astfel încât să producă un amestec de regiuni cristaline și amorfe. cristalinitate ridicată înseamnă că aranjamentul lanțului molecular este mai regulat, iar materialul prezintă o duritate și un Modul de elasticitateModulul complex (componenta elastică), modulul de stocare sau G', este partea "reală" a modulului complex general al probei. Această componentă elastică indică răspunsul asemănător solidului, sau în fază, al probei măsurate. modul de elasticitate mai mari, dar o tenacitate mai scăzută, o rezistență mai slabă la extinderea fisurilor și se fisurează ușor. Gradul de Cristalinitate / grad de cristalinitateCristalinitatea se referă la gradul de ordine structurală a unui solid. Într-un cristal, dispunerea atomilor sau a moleculelor este consecventă și repetitivă. Multe materiale, cum ar fi vitroceramica și unii polimeri, pot fi preparate astfel încât să producă un amestec de regiuni cristaline și amorfe. cristalinitate ține de materialul în sine (de exemplu, impurități, neomogenitate) și depinde, de asemenea, de istoricul termic (condițiile de prelucrare, cum ar fi temperatura matriței). Parametrii de măsurare sunt detaliați în tabelul 1.

Tabelul 1: Parametrii de măsurare DSC

După eliminarea efectului istoricului termic (viteza de răcire a fost întotdeauna de 10 K/min), entalpia de Temperaturile și entalpiile de topireEntalpia de fuziune a unei substanțe, cunoscută și sub denumirea de căldură latentă, este o măsură a aportului de energie, de obicei căldură, care este necesară pentru a transforma o substanță din stare solidă în stare lichidă. Punctul de topire al unei substanțe este temperatura la care aceasta își schimbă starea din solid (cristalin) în lichid (topitură izotropică). topire a probei NOK rămâne în continuare mai mare decât cea a probei OK în timpul celei de-a doua încălziri. Se presupune că principalul motiv al diferenței de Cristalinitate / grad de cristalinitateCristalinitatea se referă la gradul de ordine structurală a unui solid. Într-un cristal, dispunerea atomilor sau a moleculelor este consecventă și repetitivă. Multe materiale, cum ar fi vitroceramica și unii polimeri, pot fi preparate astfel încât să producă un amestec de regiuni cristaline și amorfe. cristalinitate dintre cele două probe îl constituie materialul în sine, de exemplu, materialul de umplutură sau impuritățile, care trebuie analizate în continuare folosind alte metode (cum ar fi TGA, spectroscopia și testarea proprietăților mecanice etc.).

2. Granulele de PET provenite de la diferiți producători prezintă un comportament diferit în timpul procesului de filare; DSC ajută la Identify area diferențelor dintre cele două produse.

În timpul procesului de filare, un tip de fibră PET a prezentat rupere, în timp ce altul nu. Pentru analiza granulelor provenite de la diferiți producători de DSC, cele două materiale au fost măsurate folosind un program de încălzire, răcire și reîncălzire; viteza de încălzire/răcire a fost de 10 K/min. Figurile 3 și 4 prezintă curbele primei și, respectiv, celei de-a doua încălziri. Proba B prezintă o tranziție vitroasă, CristalizareCristalizarea este procesul fizic de întărire în timpul formării și creșterii cristalelor. În timpul acestui proces, căldura de cristalizare este eliberată.cristalizare la rece și efecte de Temperaturile și entalpiile de topireEntalpia de fuziune a unei substanțe, cunoscută și sub denumirea de căldură latentă, este o măsură a aportului de energie, de obicei căldură, care este necesară pentru a transforma o substanță din stare solidă în stare lichidă. Punctul de topire al unei substanțe este temperatura la care aceasta își schimbă starea din solid (cristalin) în lichid (topitură izotropică). topire în timpul primei încălziri, în timp ce pentru proba A se detectează doar efecte de Temperaturile și entalpiile de topireEntalpia de fuziune a unei substanțe, cunoscută și sub denumirea de căldură latentă, este o măsură a aportului de energie, de obicei căldură, care este necesară pentru a transforma o substanță din stare solidă în stare lichidă. Punctul de topire al unei substanțe este temperatura la care aceasta își schimbă starea din solid (cristalin) în lichid (topitură izotropică). topire. Deși entalpiile de topire ale celor două probe sunt destul de similare, aria de CristalizareCristalizarea este procesul fizic de întărire în timpul formării și creșterii cristalelor. În timpul acestui proces, căldura de cristalizare este eliberată.cristalizare la rece (21 J/g) a probei B trebuie luată în considerare pentru compararea cristalinității inițiale a celor două probe. Cristalinitatea probei B este de 11,5 % și, prin urmare, mult mai scăzută în comparație cu cristalinitatea probei A, care este de 24,53 %. O Cristalinitate / grad de cristalinitateCristalinitatea se referă la gradul de ordine structurală a unui solid. Într-un cristal, dispunerea atomilor sau a moleculelor este consecventă și repetitivă. Multe materiale, cum ar fi vitroceramica și unii polimeri, pot fi preparate astfel încât să producă un amestec de regiuni cristaline și amorfe. cristalinitate mai ridicată reduce rezistența la rupere, iar materialul se rupe ușor în timpul filării. Parametrii de măsurare sunt detaliați în tabelul 2.

Tabelul 2: Parametri de măsurare

După eliminarea efectului istoricului termic, entalpia de topire a celor două probe este aproape identică în timpul celei de-a doua încălziri, ceea ce înseamnă că nu există o diferență semnificativă între proprietățile de CristalizareCristalizarea este procesul fizic de întărire în timpul formării și creșterii cristalelor. În timpul acestui proces, căldura de cristalizare este eliberată.cristalizare ale celor două probe. Prin urmare, diferența de Cristalinitate / grad de cristalinitateCristalinitatea se referă la gradul de ordine structurală a unui solid. Într-un cristal, dispunerea atomilor sau a moleculelor este consecventă și repetitivă. Multe materiale, cum ar fi vitroceramica și unii polimeri, pot fi preparate astfel încât să producă un amestec de regiuni cristaline și amorfe. cristalinitate observată în timpul primei încălziri ar putea fi legată de condițiile de prelucrare, de exemplu, de viteza de răcire. Performanța de filare a peletelor A ar putea fi îmbunătățită prin ajustarea procedurii de răcire pentru a reduce gradul de cristalinitate.

3. Unele loturi de granule de PP brut se rup ușor în timpul procesului de formare a filmului, în timp ce alte loturi au prezentat o calitate bună. Cu ajutorul DSC, se poate analiza cauza acestei defecțiuni.

Două loturi de granule OK (fără rupere) și patru loturi de granule NOK (rupere în timpul procesului de întindere) sunt testate prin DSC, utilizând un program de încălzire-răcire-reîncălzire, la viteze de încălzire/răcire de 10 K/min. Figurile 5, 6 și 7 prezintă curbele primei încălziri, răcirii și celei de-a doua încălziri a probelor de PP. Comportamentul probelor NOK și al celor OK este similar în timpul celor două cicluri de încălzire. În timpul răcirii, însă, temperatura de CristalizareCristalizarea este procesul fizic de întărire în timpul formării și creșterii cristalelor. În timpul acestui proces, căldura de cristalizare este eliberată.cristalizare a probelor NOK (temperatură de debut în jur de 119 °C) este mai ridicată decât cea a probelor OK (temperatură de debut în jur de 116 °C), iar panta din partea dreaptă a vârfului exoterm al probelor NOK pare mai abruptă decât cea a probelor OK, ceea ce înseamnă că probele NOK cristalizează, de asemenea, mai repede decât probele OK. Prin urmare, se presupune că problema ruperii este probabil legată de comportamentul de CristalizareCristalizarea este procesul fizic de întărire în timpul formării și creșterii cristalelor. În timpul acestui proces, căldura de cristalizare este eliberată. cristalizare al granulelor brute. Materialul NOK poate conține unele microparticule care acționează ca agenți de nucleație, ceea ce duce la o temperatură de CristalizareCristalizarea este procesul fizic de întărire în timpul formării și creșterii cristalelor. În timpul acestui proces, căldura de cristalizare este eliberată. cristalizare mai ridicată și la o viteză de CristalizareCristalizarea este procesul fizic de întărire în timpul formării și creșterii cristalelor. În timpul acestui proces, căldura de cristalizare este eliberată. cristalizare mai mare. Dacă granulele NOK ar fi prelucrate în aceleași condiții ca și cele OK, s-ar rupe ușor în timpul întinderii. Parametrii de măsurare sunt rezumați în tabelul 3.

Tabelul 3: Parametri de măsurare

Concluzie

Aceste exemple ilustrează modul în care se pot analiza curbele de încălzire/răcire obținute prin DSC în contextul unei probleme concrete (analiza defectelor). Primele curbe de încălzire DSC relevă cristalinitatea inițială a materialului, inclusiv efectul istoricului său termic. Comportamentul de CristalizareCristalizarea este procesul fizic de întărire în timpul formării și creșterii cristalelor. În timpul acestui proces, căldura de cristalizare este eliberată. cristalizare poate fi analizat pe baza curbelor de răcire; cele de-a doua curbe de încălzire arată comportamentul termic al materialului după eliminarea istoricelor termice. Analiza defectelor prin DSC va diferi în funcție de materiale și de condițiile de procesare, astfel încât rezultatele măsurătorilor DSC trebuie analizate în funcție de defectul specific. Orice informație suplimentară privind condițiile de procesare, cum ar fi temperatura de procesare, este utilă pentru interpretarea corectă a rezultatelor și pentru formularea concluziilor corecte.