NETZSCH Instruments to Solve Thermoelectric and Building Materials Applications

Введение

"Привет! Меня зовут Элизабет Грэм (на фото слева), и я являюсь координатором лаборатории физико-механических свойств в Центральном аналитическом исследовательском центре (CARF) при Квинслендском технологическом университете (QUT). CARF - это группа из примерно 50 профессиональных и научных сотрудников, управляющих портфелем приборов, которые обслуживают многие научные исследования в QUT. Мы с моим коллегой Цзюнь Чжаном (на фото справа) проводим обучение и оказываем поддержку в области термического анализа научному сообществу QUT, а также предоставляем услуги по тестированию и консультированию австралийским исследовательским и коммерческим организациям.

Мы находимся в самом центре города Брисбен, штат Квинсленд, рядом с ботаническим садом в современном специально построенном научно-инженерном комплексе с более чем 600 внутренними клиентами. Наша задача - обеспечить оперативное обучение студентов QUT HDR и других исследователей QUT, чтобы они могли получить практические навыки работы с оборудованием, а также необходимые знания для получения наилучших результатов при анализе данных. В настоящее время у нас 188 обученных пользователей QUT по всему набору приборов NETZSCH.

Пример 1: Макромолекулярный дизайн сополимеров поли(стирол-изопрен-стирол) (SIS) определяет их характеристики в гибких электротермических композитных нагревателях

_{Hiruni T. Dedduwakumara, Christopher Barner-Kowollik, Deepak Dubal, and Nathan R.B. Boase; ACS Applied Materials & InterfacesСтатья ASAP; DOI: 10.1021/acsami.3c19541;
См. публикацию на сайте acsami.org: ACS Publications}

Данное исследование посвящено улучшению стабильности и характеристик гибких композитных электротермических нагревателей для электромобилей. Эти нагреватели используются в таких приложениях, как автомобили, смарт-окна, антиобледенители, дисплеи, термотерапевтические подушки и датчики. Они необходимы для поддержания эффективности автомобиля в холодную погоду, когда обогрев салона в холодную погоду значительно влияет на дальность поездки. Металлические сплавы и прозрачные проводящие оксиды (TCO) являются распространенными материалами для этих целей, однако они имеют ограничения, такие как неподходящие механические свойства для данного применения и дефицит материала.

Полимеры были рассмотрены в качестве альтернативы металлическим нагревательным устройствам благодаря их легкому весу, гибкости и экономической целесообразности. Однако чистые полимеры обычно обладают низкой теплопроводностью и стабильностью. Таким образом, данное исследование посвящено композитам на основе полимеров, состоящих из сополимеров поли(стирол-изопрен-стирол) (SIS) и гидрогенизированного поли(стирол-этилен-пропилен-стирола) (SEPS), смешанных с различным количеством сажи (CB). Подробно исследована роль в определении термических свойств, которую играют наличие олефиновых связей и загрузка CB.

В ходе исследования ученый синтезировал и охарактеризовал три типа сополимеров SIS/SEPS и их композиты с сажей (CB). Термостабильные свойства оценивались с помощью термогравиметрического анализа (NETZSCH Jupiter^® 449 F3 STA) как в инертной, так и в окислительной среде. Электротермические характеристики оценивались путем измерения тепло- и электропроводности и равномерности распределения тепла. Сопротивление, листовое удельное сопротивление и электропроводность композитных тонких пленок измерялись с помощью четырехточечной зондовой системы KSR-4. Теплопроводность измеряли с помощью лазерного анализатора вспышекNETZSCH . Удельная теплота и температура стеклования измерялись с помощью ДСКNETZSCH Phoenix^® . Схема, показывающая подход к определению характеристик, приведена ниже.

ДСК использовалась для изучения влияния введения CB на стеклование в сополимерных системах. Незначительные изменения свидетельствуют о том, что структура СВ в композитах не препятствует подвижности полимерных цепей даже при повышенных концентрациях СВ в исследуемых композициях, что очень полезно для применения композитных пленочных нагревателей. Ключевым ограничением гибких электротермических нагревателей является их стабильность при высоких температурах и напряжениях, а также при длительном использовании. В попытке понять старение и деградацию полимерных композитов, которые происходят при электрическом отказе устройств, композитные нагреватели 1,4-SIS-28CB, 3,4-SIS-28CB и SEPS-28CB были намеренно подвергнуты перенапряжению (30 В) до прекращения протекания тока. Температура стеклования(_Tg) каждой композитной пленки с электрическим пробоем была определена с помощью анализа ДСК. Важно отметить, что _Tg олефиновых блоков оставалась неизменной, подтверждая, что основная часть сополимерной матрицы не разрушалась во время разрушения.

Измерение теплопроводности с помощью прибора NETZSCH LFA 467

Теплопроводность играет важную роль в нагревателях композитных пленок, поскольку она определяет способность материала распределять тепло. Эксперименты проводились на композитных пленках с целью измерения их теплопроводности с помощью лазерной вспышкиNETZSCH LFA 467, а удельная теплоемкость измерялась на приборе NETZSCH Phoenix^® DSC с целью расчета значений теплопроводности при различных загрузках CB.

Исследование показало, что увеличение загрузки CB с 16 до 28 масс.% привело к значительному увеличению теплопроводности для всех исследованных сополимеров. Улучшение теплопроводности объясняется способностью СВ создавать пути теплопроводности за счет ориентации и выравнивания в матрице. Зависимость между теплопроводностью и загрузкой наполнителя была нелинейной, демонстрируя быстрое увеличение по мере формирования более совершенной сети наполнителей. Максимальная теплопроводность наблюдалась в районе 50-75 °C, с небольшим снижением до 150 °C из-за перехода полистирола в каучуковое состояние после стеклования. Присущая сополимерным композитам SIS олефиновая структура способствовала их более высокой теплопроводности по сравнению с композитами SEPS.

Для оценки электрических и тепловых характеристик материалов были изготовлены прототипы нагревательных устройств. Включение СВ повысило электропроводность всех сополимерных материалов. Примечательно, что даже при эквивалентной нагрузке углерода 1,4-SIS и 3,4-SIS демонстрируют более высокую электро- и теплопроводность по сравнению с SEPS. Таким образом, становится очевидным, что электро- и теплопроводность композита напрямую зависит от наличия олефиновых структур в сополимерах SIS и концентрации CB.

Данное исследование наглядно продемонстрировало, что для достижения максимальной эффективности электротермических нагревателей необходимо оптимизировать структуру и свойства полимера, а также нагрузку и свойства электроактивного наполнителя. При учете всех факторов, влияющих на работу устройства, становится ясно, что композит 3,4-SIS-28CB демонстрирует исключительную теплопроводность, электропроводность и эффективность электротермического нагрева по сравнению с композитами 1,4-SIS-28CB и SEPS-28CB.

Исследование показало, что включение СВ в полимерную матрицу улучшает электротермические свойства, не оказывая существенного влияния на структуру исходного сополимера, однако негативно сказывается на термоокислительной стабильности композитов при высоких рабочих температурах (<200 °C). Исследование подтверждает, что олефиновая структура в сополимерах SIS играет решающую роль в улучшении электротермических характеристик композитных нагревателей. Композит 3,4-SIS-28CB является эффективным материалом для создания гибких и легких электротермических нагревателей, пригодных для применения в электромобилях и других устройствах.

Пример 2: Разгадка влияния вермикулита на обожженный глиняный кирпич с помощью современных приборов

_{Ванг, Сен; Гейни, Ллойд; Маринелли, Джулиус; Дир, Брианна; Ванг, Тони; Макиннон, Иан; и Си, Юнфей (2022); Влияние вермикулита на тепловое поведение, микроструктуру, физико-механические свойства обожженного глиняного кирпича на месте. Строительство и строительные материалы, 316, номер статьи: 125828.}

Глиняные кирпичи являются одним из основных видов строительной индустрии. Характеристики этих кирпичей в значительной степени зависят от их состава, и в данном исследовании ученые обратили внимание на менее изученный компонент - природный вермикулит.

Вермикулит, вспучивающаяся глина, при нагревании может увеличиваться в 30 раз от своего первоначального размера. В то время как вспученная форма вермикулита хорошо изучена, природный вермикулит часто игнорируется в качестве добавки к кирпичу из-за мнения, что его расширение при нагревании снижает прочность кирпича. Но верно ли это мнение?

Чтобы ответить на этот вопрос, наши исследователи приступили к детальному изучению смесей вермикулита и глины, в которых вермикулит составлял до 30 весовых процентов смеси. Они использовали комплекс передовых методов термического анализа, включая термогравиметрический анализ (ТГА), дилатометрию, рентгеновскую дифракцию (РФД) и лазерный анализ вспышек (ЛФА), для интерпретации теплового поведения в реальном времени и изучения микроструктуры, физических и компрессионных характеристик обожженных глиняных кирпичей.

Исследования ТГА и дилатометрии (DIL) помогли понять термическое поведение кирпичей на месте, а неамбиентная рентгенография пролила свет на изменения минералогии в зависимости от температуры. LFA, с другой стороны, использовался для определения того, влияет ли добавление вермикулита на тепловую диффузию кирпича.

Выводы, сделанные по результатам исследования, подчеркивают несколько важных результатов, касающихся влияния добавления вермикулита в обожженные глиняные кирпичи.

Минералогия: Для изучения минералогии этих изделий была использована рентгенография без окружающей среды. Минералогия глин сложна. В образце без вермикулита первоначально наблюдается дегидроксилирование каолинита и иллита/слюды. Кварц претерпевает фазовый переход из α- в β-фазу, сопровождающийся возможным развитием микротрещин, что требует контролируемой скорости нагрева при промышленном производстве кирпича. Наблюдается разложение кальцита на известь.

Кроме того, выясняется эволюция других фаз, включая представителей семейства полевых шпатов, фазы, связанные с высокими температурами, такие как муллит и кристобалит, а также появление следовых минералов, таких как анатаз. Добавление вермикулита в глинистую смесь приводит к появлению новых фаз и изменяет минералогический состав, влияя на поведение вермикулита при дегидратации и температуру начала дегидроксилирования каолинита. Кроме того, наблюдается образование Mg-связанных силикатов/алюмосиликатов и других фаз под влиянием присутствия вермикулита и связанных с ним минеральных взаимодействий. В целом, минералогические превращения позволяют понять сложное термическое поведение глиняных кирпичей и влияние добавки вермикулита на их свойства.

На рисунке ниже показана эволюция минералогии по мере нагревания образца в глине с добавлением и без добавления вермикулита.

Термическое поведение: В диапазоне от 25 до 1150 °C определяются пять различных ступеней потери веса и шесть ступеней дилатометрии/контракции.

Рентгеновская спектроскопия без окружающей среды на глиняной смеси без вермикулита и образце с 30% вермикулита показывает влияние добавления вермикулита на минералогию. Ниже приведены основные фазовые переходы и их связь с данными о потере массы.

Добавление V не только приводит к значительному расширению между 450 и 750 °C, но и усиливает усадку после 950 °C из-за изменения содержания и вида глинистых минералов.

Данные дилатометрии свидетельствуют о том, что при увеличении содержания вермикулита наблюдаются более значительные изменения размеров. Быстрое расширение, наблюдаемое при более высоком содержании вермикулита в области "4", вызвано сильным отшелушиванием межстратифицированного вермикулит-биотита (vrm-bt) в сочетании с небольшим увеличением объема вермикулита.

Основные фазовые переходы, выявленные с помощью рентгеноструктурного анализа в неамбиентных условиях, и их связь с данными по изменению размеров приведены ниже.

Механические и изоляционные свойства: усадка при высыхании, усадка при обжиге и плотность значительно увеличиваются при добавлении вермикулита. Прочность на сжатие увеличивается до 5 % при добавлении вермикулита, а затем падает.

В образце с 30 % вермикулита между 450 и 750°C появились трещины, вызванные отшелушиванием vrm-bt и вермикулита. Несмотря на стеклование и усадку выше этой температуры, трещины не исчезают полностью даже после обжига при 1150°C.

Теплопроводность образца остается неизменной при добавлении 5% вермикулита и увеличивается выше, что свидетельствует о сохранении изоляционных свойств до 5% вермикулита. Механические и изоляционные свойства представлены ниже.

Исходя из тепловых характеристик и механических свойств, 5 весовых процентов сырого, необработанного вермикулита считается оптимальным соотношением для добавления в глиняную смесь для производства кирпича.

В целом, данное исследование подчеркивает значительные преимущества включения вермикулита в обожженный глиняный кирпич, включая улучшенное тепловое поведение, повышенные механические свойства и потенциальные преимущества устойчивости. Эти результаты подчеркивают важность изучения новых материалов и технологий для решения проблем, с которыми сталкивается строительная отрасль при создании энергоэффективных и долговечных зданий.

"Мы всегда ценили хорошее обслуживание"

Когда я начал работать в QUT в 2015 году, у нас уже было оборудование NETZSCH (STA 449 F3 и дилатометр). С тех пор мы установили второй STA (2015), лазерную вспышку (2015), измеритель теплового потока (2016) и низкотемпературный ДСК (Phoenix^®, 2018). В 2018 году STA были модернизированы, чтобы включить автодозаторы на обоих приборах, а в 2020 году - чтобы включить FTIR и GCMS для анализа развитых газов.

Мы всегда получали отличные ответы от NETZSCH, а их поддержка приложений была превосходной. У нас минимальное время простоя из-за проблем с приборами. Как только мы сообщаем о проблеме, команда NETZSCH Australia немедленно принимает меры по ее устранению. Команда чрезвычайно отзывчива и компетентна.

Местная команда в Сиднее может ответить на большинство вопросов, связанных с приложениями, и у них есть доступ к команде в Зельбе (Германия) для решения любых прикладных задач, которые они не смогли решить. Благодаря сотрудничеству с NETZSCH мы смогли решить все проблемы с приложениями, с которыми когда-либо сталкивались. Чтобы уточнить, на данный момент у нас 188 обученных пользователей. За весь срок службы приборов количество пользователей, которых мы обучили до уровня компетентности, составит около 500. Студенты HDR приходят, затем завершают обучение и уходят на другую работу, надеемся, с хорошими навыками!"

Лиз, большое спасибо за глубокое понимание этих интересных примеров! Мы с нетерпением ждем продолжения поддержки ваших исследований в будущем!