Введение
Полиамиды - полукристаллические полимеры, характеризующиеся хорошей механической прочностью, что позволяет использовать их в различных технических приложениях, таких как защита кабелей в автомобильной промышленности и робототехнике. Полиамидный порошок также является популярным материалом для SLS (Selective Laser Sintering) - метода 3-D печати, позволяющего создавать объекты любой формы.
Однако полиамиды также очень чувствительны к воде. Молекулярные цепи полиамидов содержат полярные амидные группы, которые притягивают полярные жидкости, такие как вода, так что этот полимер поглощает влагу, присутствующую в окружающей среде. Молекулы воды увеличивают свободный объем в промежутках полиамидной цепи, что приводит к набуханию полимера и облегчает скольжение молекулярных цепей при механической нагрузке. Это приводит к снижению температуры стеклования и называется эффектом пластификации, вызванным водой. [1, 2, 3]
Следовательно, водопоглощение резко влияет на механические, термические и электрические свойства полиамидов. В частности, увеличение содержания воды приводит к снижению жесткости и прочности, в то время как жесткость увеличивается. [3, 4, 5]
ДСК исследует влияние влажности на стеклованиеПереход полиамида
Далее исследуется влияние влажности на стеклование полиамида 6 (PA6). Для этого были проведены измерения ДСК образцов с различным содержанием воды от 0% до 4,9%.
В таблице 1 приведены условия измерений. Стеклование PA6 обычно перекрывается с эндотермическим пиком, обусловленным испарением воды. Это предопределяет необходимость проведения температурно-модулированных измерений ДСК, которые позволяют отделить обратимые (например, стеклование) от необратимых эффектов (например, испарение летучих веществ, отверждение) [6].
Таблица 1: Условия измерений
| Устройство | DSC 300 Caliris®, H-модуль | |||
| Образец | Высушенный (0-% влажности) | 1.2-% влажность | 3.3-% влажность | 4.9-% влажность |
| Масса образца | 9.92 мг | 10.04 мг | 10.26 мг | 10.44 мг |
| Крюсиль | Concavus® (алюминий) с проколотой крышкой | |||
| Диапазон температур | -60°C - 240°C | |||
| Скорость нагрева | 5 К/мин | |||
| Период | 60 s | |||
| Амплитуда | 0.8 K | |||
Температура стеклования PA6
На рис. 1 показан общий тепловой поток образца с влажностью 1,2%, что соответствует обычной кривой ДСК без модуляции. Эндотермическая ступенька при 38,8°C (средняя точка) указывает на стеклование полиамида 6. Однако эта оценка не является точной, поскольку стеклование перекрывается с эндотермическим пиком, что, скорее всего, связано с начальным выделением воды, содержащейся в образце, и с релаксационными эффектами. Перед тем как произойдет плавление при 224,2°C (температура пика), аморфная часть PA6 частично кристаллизуется, что объясняет экзотермический пик при 193,3°C (температура пика) на кривой ДСК.
На рис. 2 показан общий тепловой поток вместе с необработанным сигналом ДСК, полученным во время измерения с температурной модуляцией. Общий тепловой поток (сплошная линия) эквивалентен стандартному измерению ДСК, как описано выше. Необработанный сигнал (пунктирная линия) показывает, как материал реагирует на модуляцию температуры.
На рисунке 3 общий тепловой поток разделен на реверсивную и нереверсивную части. Это позволяет разделить пик стеклования и пик испарения. Стеклование обнаруживается в реверсивной части сигнала ДСК, а эффект испарения - в нереверсивной части.
Впоследствии стеклование было оценено точно (средняя точка при 40,4°C). Однако нереверсивный сигнал указывает на то, что эндотермический пик гораздо шире, чем предполагалось вначале. Этот эффект, обусловленный релаксацией и испарением, связан с энтальпией 21,2 Дж/г.
Влияние влажности на температуру стеклования PA6
На рисунке 4 показан обратный сигнал для различных образцов. Чем выше содержание влаги, тем ниже температура стеклования. Разница между температурой стеклования сухого образца и PA6, содержащего 4,9% воды, составляет более 70°C.
Заключение
Благодаря своей гигроскопичности полиамиды поглощают влагу из окружающей среды. Это, в свою очередь, влияет на свойства и, следовательно, на обработку материала. Даже small количество воды в PA6 резко снижает его стеклование. Поэтому содержание влаги в образце является важным параметром для проверки и контроля.
Надежным и быстрым способом является проведение температурно-модулированных измерений ДСК на приборе DSC 300 Caliris®.