DSC Yöntemiyle Termoplastik Polimerlerin Analizi Nasıl Yapılır?

Giriş

Diferansiyel Taramalı Kalorimetri (DSC), en sık kullanılan termal analiz tekniğidir. Bu teknikte, kontrollü bir sıcaklık/zaman programı ile numune potası ile referans potası arasındaki ısı akış hızı farkı belirlenir ve numunelerin EndotermikBir örnek geçişi veya bir reaksiyon, dönüşüm için ısı gerekiyorsa endotermiktir.endotermik ve EkzotermikBir örnek geçişi veya bir reaksiyon ısı üretiyorsa ekzotermiktir.ekzotermik etkileri hakkında bilgi sağlanır (örneğin, cam geçişi, Erime Sıcaklıkları ve EntalpileriGizli ısı olarak da bilinen bir maddenin füzyon entalpisi, bir maddeyi katı halden sıvı hale dönüştürmek için gerekli olan enerji girdisinin, tipik olarak ısının bir ölçüsüdür. Bir maddenin erime noktası, katı (kristal) halden sıvı (izotropik eriyik) hale geçtiği sıcaklıktır. erime, KristalleşmeKristalleşme, kristallerin oluşumu ve büyümesi sırasında sertleşmenin fiziksel sürecidir. Bu işlem sırasında kristalleşme ısısı açığa çıkar.kristalleşme vb.) hakkında bilgi sağlar. Kolay kullanım, small numune kütleleri ve hızlı ölçümler gibi avantajları nedeniyle polimer alanında yaygın olarak kullanılmaktadır. Çoğu termoplastik polimer için, ısıtma-soğutma-yeniden ısıtma programı en yaygın olarak kullanılan sıcaklık programıdır. Ancak, birinci ve ikinci ısıtma eğrileri genellikle oldukça farklıdır ve şu soruyu gündeme getirir: Hangisi dikkate alınmalıdır, birinci mi yoksa ikinci ısıtma mı?

Erime ve KristalleşmeKristalleşme, kristallerin oluşumu ve büyümesi sırasında sertleşmenin fiziksel sürecidir. Bu işlem sırasında kristalleşme ısısı açığa çıkar.kristalleşme, termoplastik malzemelerde en sık görülen etkileridir. Erime ve kristalleşmeyi örnek olarak alırsak, genel olarak ilk ısıtma eğrisi malzemenin orijinal Kristallik / Kristallik DerecesiKristallik, bir katının yapısal düzen derecesini ifade eder. Bir kristalde, atomların veya moleküllerin düzeni tutarlı ve tekrarlayıcıdır. Cam seramikler ve bazı polimerler gibi birçok malzeme, kristal ve amorf bölgelerin bir karışımını üretecek şekilde hazırlanabilir. kristallik derecesini (termal geçmişine bağlı olarak) yansıtır; soğutma eğrisi KristalleşmeKristalleşme, kristallerin oluşumu ve büyümesi sırasında sertleşmenin fiziksel sürecidir. Bu işlem sırasında kristalleşme ısısı açığa çıkar.kristalleşme davranışını gösterir; ikinci ısıtma eğrisi ise önceden kontrollü ve tekrarlanabilir bir şekilde gerçekleştirilen soğutma sayesinde her zaman aynı termal geçmişe sahip malzemenin termal özelliklerini yansıtır. Farklı eğriler, numunenin farklı durumlardaki davranışını gösterir; bu nedenle hepsi de yararlıdır. Hangi eğrinin dikkate alınması gerektiği, testin amacına ve ihtiyaç duyulan bilgilere bağlıdır. Bu Uygulama Notu, bu konuyu üç uygulama örneği ile açıklamaktadır.

1. Montaj sırasında bazı PA6 parçalarında çatlaklar oluştu (NOK), bazılarında ise oluşmadı (OK); DSC, NOK ve OK parçaları arasındaki farkı tespit eder.

NOK ve OK numuneleri, tipik bir ısıtma, soğutma ve yeniden ısıtma programı uygulanarak ve 10 K/dk ısıtma/soğutma hızlarında DSC ile test edilmiştir. Şekil 1 ve 2, sırasıyla birinci ve ikinci ısıtma sonuçlarını göstermektedir. İlk ısıtma sırasında iki numunenin Erime Sıcaklıkları ve EntalpileriGizli ısı olarak da bilinen bir maddenin füzyon entalpisi, bir maddeyi katı halden sıvı hale dönüştürmek için gerekli olan enerji girdisinin, tipik olarak ısının bir ölçüsüdür. Bir maddenin erime noktası, katı (kristal) halden sıvı (izotropik eriyik) hale geçtiği sıcaklıktır. erime tepe sıcaklıkları birbirine yakındır, ancak NOK numunesinin Erime Sıcaklıkları ve EntalpileriGizli ısı olarak da bilinen bir maddenin füzyon entalpisi, bir maddeyi katı halden sıvı hale dönüştürmek için gerekli olan enerji girdisinin, tipik olarak ısının bir ölçüsüdür. Bir maddenin erime noktası, katı (kristal) halden sıvı (izotropik eriyik) hale geçtiği sıcaklıktır. erime entalpisi OK numunesininkinden önemli ölçüde daha yüksektir; bu da NOK malzemesinin Kristallik / Kristallik DerecesiKristallik, bir katının yapısal düzen derecesini ifade eder. Bir kristalde, atomların veya moleküllerin düzeni tutarlı ve tekrarlayıcıdır. Cam seramikler ve bazı polimerler gibi birçok malzeme, kristal ve amorf bölgelerin bir karışımını üretecek şekilde hazırlanabilir. kristallik derecesinin daha yüksek olduğunu (%24,88) göstermektedir. Yüksek Kristallik / Kristallik DerecesiKristallik, bir katının yapısal düzen derecesini ifade eder. Bir kristalde, atomların veya moleküllerin düzeni tutarlı ve tekrarlayıcıdır. Cam seramikler ve bazı polimerler gibi birçok malzeme, kristal ve amorf bölgelerin bir karışımını üretecek şekilde hazırlanabilir. kristallik, moleküler zincirin daha düzenli bir şekilde dizilişini ifade eder; bu durumda malzeme daha yüksek sertlik ve modül gösterir, ancak tokluğu daha düşüktür, çatlak yayılmasına karşı direnci daha zayıftır ve kolayca çatlar. Kristallik / Kristallik DerecesiKristallik, bir katının yapısal düzen derecesini ifade eder. Bir kristalde, atomların veya moleküllerin düzeni tutarlı ve tekrarlayıcıdır. Cam seramikler ve bazı polimerler gibi birçok malzeme, kristal ve amorf bölgelerin bir karışımını üretecek şekilde hazırlanabilir.Kristallik derecesi, malzemenin kendisiyle (örneğin, safsızlıklar, homojen olmama) ilgilidir ve aynı zamanda termal geçmişe (kalıp sıcaklığı gibi işleme koşulları) da bağlıdır. Ölçüm parametreleri Tablo 1’de ayrıntılı olarak verilmiştir.

Tablo 1: DSC ölçüm parametreleri

Termal geçmişin etkisini ortadan kaldırdıktan sonra (soğuma hızı her zaman 10 K/dk olarak tutuldu), ikinci ısıtma sırasında NOK numunesinin Erime Sıcaklıkları ve EntalpileriGizli ısı olarak da bilinen bir maddenin füzyon entalpisi, bir maddeyi katı halden sıvı hale dönüştürmek için gerekli olan enerji girdisinin, tipik olarak ısının bir ölçüsüdür. Bir maddenin erime noktası, katı (kristal) halden sıvı (izotropik eriyik) hale geçtiği sıcaklıktır. erime entalpisi, OK numunesininkinden hâlâ daha yüksektir. İki numunenin Kristallik / Kristallik DerecesiKristallik, bir katının yapısal düzen derecesini ifade eder. Bir kristalde, atomların veya moleküllerin düzeni tutarlı ve tekrarlayıcıdır. Cam seramikler ve bazı polimerler gibi birçok malzeme, kristal ve amorf bölgelerin bir karışımını üretecek şekilde hazırlanabilir. kristallik farkının ana nedeninin malzemenin kendisi olduğu, örneğin dolgu maddesi veya safsızlıklar olduğu düşünülmektedir; bu hususların diğer yöntemler (TGA, spektroskopi ve mekanik özellik testleri vb.) kullanılarak daha ayrıntılı bir şekilde analiz edilmesi gerekmektedir.

2. Farklı üreticilere ait PET peletleri, eğirme işlemi sırasında farklı davranışlar sergiler; DSC, iki ürün arasındaki farkları Identify belirlemeye yardımcı olur.

Eğirme işlemi sırasında, bir tür PET elyafında kopma gözlenirken, diğerinde gözlenmedi. Farklı DSC üreticilerinden temin edilen peletlerin incelenmesi amacıyla, iki malzeme bir ısıtma, soğutma ve yeniden ısıtma programı ile ölçüldü; ısıtma/soğutma hızı 10 K/dk olarak belirlendi. Şekil 3 ve 4, sırasıyla birinci ve ikinci ısıtma eğrilerini göstermektedir. Örnek B, ilk ısıtma sırasında camsı geçiş, soğuk KristalleşmeKristalleşme, kristallerin oluşumu ve büyümesi sırasında sertleşmenin fiziksel sürecidir. Bu işlem sırasında kristalleşme ısısı açığa çıkar.kristalleşme ve Erime Sıcaklıkları ve EntalpileriGizli ısı olarak da bilinen bir maddenin füzyon entalpisi, bir maddeyi katı halden sıvı hale dönüştürmek için gerekli olan enerji girdisinin, tipik olarak ısının bir ölçüsüdür. Bir maddenin erime noktası, katı (kristal) halden sıvı (izotropik eriyik) hale geçtiği sıcaklıktır. erime etkileri gösterirken, örnek A'da sadece Erime Sıcaklıkları ve EntalpileriGizli ısı olarak da bilinen bir maddenin füzyon entalpisi, bir maddeyi katı halden sıvı hale dönüştürmek için gerekli olan enerji girdisinin, tipik olarak ısının bir ölçüsüdür. Bir maddenin erime noktası, katı (kristal) halden sıvı (izotropik eriyik) hale geçtiği sıcaklıktır. erime etkileri tespit edilmiştir. Her iki numunenin Erime Sıcaklıkları ve EntalpileriGizli ısı olarak da bilinen bir maddenin füzyon entalpisi, bir maddeyi katı halden sıvı hale dönüştürmek için gerekli olan enerji girdisinin, tipik olarak ısının bir ölçüsüdür. Bir maddenin erime noktası, katı (kristal) halden sıvı (izotropik eriyik) hale geçtiği sıcaklıktır. erime entalpleri oldukça benzer olsa da, iki numunenin orijinal Kristallik / Kristallik DerecesiKristallik, bir katının yapısal düzen derecesini ifade eder. Bir kristalde, atomların veya moleküllerin düzeni tutarlı ve tekrarlayıcıdır. Cam seramikler ve bazı polimerler gibi birçok malzeme, kristal ve amorf bölgelerin bir karışımını üretecek şekilde hazırlanabilir. kristallik derecesinin karşılaştırılması için numune B’nin soğuk KristalleşmeKristalleşme, kristallerin oluşumu ve büyümesi sırasında sertleşmenin fiziksel sürecidir. Bu işlem sırasında kristalleşme ısısı açığa çıkar.kristalleşme alanı (21 J/g) dikkate alınmalıdır. Örnek B’nin Kristallik / Kristallik DerecesiKristallik, bir katının yapısal düzen derecesini ifade eder. Bir kristalde, atomların veya moleküllerin düzeni tutarlı ve tekrarlayıcıdır. Cam seramikler ve bazı polimerler gibi birçok malzeme, kristal ve amorf bölgelerin bir karışımını üretecek şekilde hazırlanabilir. kristallik derecesi %11,5 olup, %24,53 olan örnek A’nın Kristallik / Kristallik DerecesiKristallik, bir katının yapısal düzen derecesini ifade eder. Bir kristalde, atomların veya moleküllerin düzeni tutarlı ve tekrarlayıcıdır. Cam seramikler ve bazı polimerler gibi birçok malzeme, kristal ve amorf bölgelerin bir karışımını üretecek şekilde hazırlanabilir. kristallik derecesine kıyasla çok daha düşüktür. Daha yüksek Kristallik / Kristallik DerecesiKristallik, bir katının yapısal düzen derecesini ifade eder. Bir kristalde, atomların veya moleküllerin düzeni tutarlı ve tekrarlayıcıdır. Cam seramikler ve bazı polimerler gibi birçok malzeme, kristal ve amorf bölgelerin bir karışımını üretecek şekilde hazırlanabilir. kristallik derecesi tokluğu azaltır ve malzeme eğirme sırasında kolayca kopar. Ölçüm parametreleri Tablo 2’de ayrıntılı olarak verilmiştir.

Tablo 2: Ölçüm parametreleri

Termal geçmişin etkisini ortadan kaldırdıktan sonra, ikinci ısıtma sırasında iki numunenin Erime Sıcaklıkları ve EntalpileriGizli ısı olarak da bilinen bir maddenin füzyon entalpisi, bir maddeyi katı halden sıvı hale dönüştürmek için gerekli olan enerji girdisinin, tipik olarak ısının bir ölçüsüdür. Bir maddenin erime noktası, katı (kristal) halden sıvı (izotropik eriyik) hale geçtiği sıcaklıktır. erime entalpisi neredeyse aynıdır; bu da iki numunenin KristalleşmeKristalleşme, kristallerin oluşumu ve büyümesi sırasında sertleşmenin fiziksel sürecidir. Bu işlem sırasında kristalleşme ısısı açığa çıkar. kristalleşme özellikleri arasında büyük bir fark olmadığı anlamına gelir. Dolayısıyla, ilk ısıtma sırasında gözlenen Kristallik / Kristallik DerecesiKristallik, bir katının yapısal düzen derecesini ifade eder. Bir kristalde, atomların veya moleküllerin düzeni tutarlı ve tekrarlayıcıdır. Cam seramikler ve bazı polimerler gibi birçok malzeme, kristal ve amorf bölgelerin bir karışımını üretecek şekilde hazırlanabilir. kristallik farkı, örneğin soğuma hızı gibi işleme koşullarıyla ilişkili olabilir. A peletlerinin eğirme performansı, Kristallik / Kristallik DerecesiKristallik, bir katının yapısal düzen derecesini ifade eder. Bir kristalde, atomların veya moleküllerin düzeni tutarlı ve tekrarlayıcıdır. Cam seramikler ve bazı polimerler gibi birçok malzeme, kristal ve amorf bölgelerin bir karışımını üretecek şekilde hazırlanabilir. kristallik derecesini azaltmak için soğutma prosedürünü ayarlayarak iyileştirilebilir.

3. Ham PP granüllerinin bazı partileri film oluşturma işlemi sırasında kolayca yırtılırken, diğer partiler ise iyi kaliteye sahipti. DSC yöntemi kullanılarak bu arızanın nedeni analiz edilebilir.

İki parti OK granülü (kırılma yok) ve dört parti NOK granülü (germe işlemi sırasında kırılma), bir ısıtma-soğutma-yeniden ısıtma programı kullanılarak ve 10 K/dk ısıtma/soğutma hızlarında DSC ile test edilmiştir. Şekil 5, 6 ve 7, PP numunelerinin ilk ısıtma, soğutma ve ikinci ısıtma eğrilerini göstermektedir. İki ısıtma döngüsü sırasında NOK numuneleri ile OK numunelerinin davranışları benzerdir. Ancak soğutma sırasında, NOK numunelerinin KristalleşmeKristalleşme, kristallerin oluşumu ve büyümesi sırasında sertleşmenin fiziksel sürecidir. Bu işlem sırasında kristalleşme ısısı açığa çıkar. kristalleşme sıcaklığı (başlangıç sıcaklığı yaklaşık 119°C) OK numunelerinin KristalleşmeKristalleşme, kristallerin oluşumu ve büyümesi sırasında sertleşmenin fiziksel sürecidir. Bu işlem sırasında kristalleşme ısısı açığa çıkar. kristalleşme sıcaklığından (başlangıç sıcaklığı yaklaşık 116°C) daha yüksektir ve NOK numunelerinin EkzotermikBir örnek geçişi veya bir reaksiyon ısı üretiyorsa ekzotermiktir.ekzotermik tepe noktasının sağ tarafındaki eğim, OK numunelerine göre daha dik görünmektedir; bu da NOK numunelerinin OK numunelerine göre daha hızlı kristalleştiği anlamına gelmektedir. Bu nedenle, kopma sorununun muhtemelen ham granüllerin KristalleşmeKristalleşme, kristallerin oluşumu ve büyümesi sırasında sertleşmenin fiziksel sürecidir. Bu işlem sırasında kristalleşme ısısı açığa çıkar. kristalleşme davranışıyla ilişkili olduğu düşünülmektedir. NOK malzemesi, çekirdeklenme ajanı görevi gören bazı mikroparçacıklar içerebilir; bu da daha yüksek KristalleşmeKristalleşme, kristallerin oluşumu ve büyümesi sırasında sertleşmenin fiziksel sürecidir. Bu işlem sırasında kristalleşme ısısı açığa çıkar. kristalleşme sıcaklığına ve daha hızlı KristalleşmeKristalleşme, kristallerin oluşumu ve büyümesi sırasında sertleşmenin fiziksel sürecidir. Bu işlem sırasında kristalleşme ısısı açığa çıkar.kristalleşme hızına yol açar. NOK granülleri OK ile aynı koşullar altında işlenseydi, germe işlemi sırasında kolayca kırılırdı. Ölçüm parametreleri Tablo 3’te özetlenmiştir.

Tablo 3: Ölçüm parametreleri

Sonuç

Bu örnekler, DSC ısıtma/soğutma eğrilerinin gerçek bir sorun (arıza analizi) bağlamında nasıl analiz edileceğini göstermektedir. İlk DSC ısıtma eğrileri, malzemenin termal geçmişinin etkisini de içeren orijinal Kristallik / Kristallik DerecesiKristallik, bir katının yapısal düzen derecesini ifade eder. Bir kristalde, atomların veya moleküllerin düzeni tutarlı ve tekrarlayıcıdır. Cam seramikler ve bazı polimerler gibi birçok malzeme, kristal ve amorf bölgelerin bir karışımını üretecek şekilde hazırlanabilir. kristallik derecesini ortaya koyar. KristalleşmeKristalleşme, kristallerin oluşumu ve büyümesi sırasında sertleşmenin fiziksel sürecidir. Bu işlem sırasında kristalleşme ısısı açığa çıkar.Kristalleşme davranışı, soğutma eğrilerinden analiz edilebilir; ikinci ısıtma eğrileri ise termal geçmişler ortadan kaldırıldıktan sonra malzemenin termal davranışını gösterir. DSC ile yapılan arıza analizi, malzemelere ve işleme koşullarına göre farklılık göstereceğinden, DSC ölçüm sonuçları tam olarak söz konusu arıza bağlamında analiz edilmelidir. İşleme sıcaklığı gibi işleme koşullarına ilişkin her türlü ek bilgi, sonuçların doğru şekilde yorumlanmasına ve doğru sonuçlara varılmasına yardımcı olur.