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測量高分子材料玻璃化轉變溫度的三大方法
發布:kittyll   時間:2015/12/22 15:56:36   閱讀:19031 
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高分子材料 圖片來源:網絡

在金屬材料學領域內,材料的熱性能一直都是一個非常重要的性能參數。對于高分子材料而言更是如此,尤其是對于那些應用于寒冷或高溫環境下的高分子材料組件,材料的熱學性能對其使用起著至關重要的作用。
 
高分子材料的玻璃化轉變溫度(通常稱為Tg),定義為高分子材料從硬脆的玻璃態轉變為柔軟的,類似橡膠的高彈態時的溫度。
 
一般而言,玻璃化轉變溫度是熱塑性塑料的使用上限溫度,是橡膠或者彈性體的使用下限溫度。
 
無定型的非晶聚合物通常只有一個玻璃化轉變溫度;而對于結晶聚合物而言,通?;崠嬖諞桓鋈鄣悖═m)和一個典型的玻璃化轉變溫度,因為對于結晶型聚合物而言,通常不會達到百分百結晶,其中仍含有無定形部分。
 
測量出材料的玻璃化轉變溫度非常重要,因為這個溫度值不僅會涉及到材料的性能,決定材料的用途外,還能夠用于工業質量控制及產品研發。
 
對于聚合物材料的玻璃化轉變溫度的測量通常有三種方法:
 
1.差示掃描量熱法(DSC)
 
對于大多數高分子材料而言,這可能是最傳統也最常用的測量方法了。
 

圖1:差示掃描量熱法示意圖,該方法適用于很多熱塑性和熱固性的高分子材料
圖片來源:Intertek
 
其原理簡單來說就是通過程序控制溫度的變化,在溫度變化的同時,測量試樣和參比物的功率差(熱流率)與溫度的關系,進而得到測試材料的玻璃化轉變溫度。
 
根據測量設備的不同,差示掃描量熱法適用于許多高分子材料,既包括熱塑性的,也包括熱固性的。
 
2.熱機械分析法(TMA)
 
熱機械分析定義為:在程序控溫下,對試樣在非振動載荷下的形變與溫度關系的分析。
 

圖2:熱機械分析法,該方法通常用于測量聚合物材料的熱膨脹系數
圖片來源:Intertek
 
該方法通常更多是用于測量材料的熱膨脹系數,當對測試材料加熱時,利用一個敏感性較好的探針測試材料的膨脹系數;從得到的膨脹曲線上,能夠在一個溫度范圍內測量出高分子材料的熱膨脹系數。
 
該方法主要是利用一種機械方法來測量高分子材料的玻璃化轉變溫度,如果材料的玻璃化轉變溫度在熱機械分析測試過程中的溫度范圍內,膨脹曲線的形狀會發生顯著的變化,根據這種變化能夠很容易的計算出測試材料的玻璃化轉變溫度。
 
此外,在熱機械分析法中也有利用到穿透探針的,這就屬于另外一種不同的熱機械分析法。在這種方法中,一般都是通過穿透探針對測試樣品材料施加一定的負荷,隨著溫度的逐漸升高,探針也將逐漸的刺入到測試材料的內部,通常規定在探針刺入到測試材料內部一定距離時的溫度為材料的軟化溫度。得到的曲線上形狀顯著改變的地方也表明此時材料將不再能承受探針施加的壓力,因此就能較容易地計算出材料的玻璃化轉變溫度。
 
3.動態熱機械分析法(DMA)
 
動態熱機械分析法是本文介紹的幾種方法中測量玻璃化轉變溫度最靈敏的方法。
 

圖3:動態熱機械分析法,該方法是本文介紹的幾種方法中測量玻璃化轉變溫度最為靈敏的方法。
圖片來源:Intertek

動態熱機械分析法是對測試試樣施加恒振幅的正弦交變應力,觀察應變隨溫度或者時間的變化規律,從而計算力學參數用來表征材料粘彈性的一種方法。
 
DMA曲線一般包括儲存模量、損耗模量、損耗因子三個信號的曲線,在玻璃化轉變區域,儲存模量急劇下降至較平穩的平臺,損耗模量和損耗因子都形成峰狀。
 
玻璃化轉變溫度的確定通常有對應的三種取法,分別為儲存模量曲線上的ONSET溫度值、損耗模量曲線和損耗因子曲線上的峰值溫度。
 
動態熱機械分析法具有很高的測試靈敏度,該方法對在玻璃化轉變溫度處發生改變的感應程度比差示掃描量熱法(DSC)要靈敏10到100倍。因此,該方法非常適用于測試那些一般情況下難以找到玻璃化轉變溫度的高分子材料,例如環氧樹脂、玻璃化轉變溫度低于室溫的以及高度交聯的聚合物等。
 
影響材料玻璃化轉變溫度的因素

對于上述提及的幾種技術,都會存在一些影響玻璃化轉變溫度測量結果的因素。
 
對于差示掃描量熱法(DSC)而言,程序升溫速度以及測試材料的熱歷史都是影響最終測試結果的重要因素。此外,對于某些材料,DSC并不會非常靈敏的顯示出足夠大的轉變,因此也就不能精確地計算最后的玻璃化轉變溫度的測量值。
 
對于熱機械分析法(TMA)而言,影響玻璃化轉變溫度測量結果的因素主要為升溫速率和探針施加的負荷。
 
對于動態熱機械分析法(DMA),影響玻璃化轉變溫度的因素就相當多了。如前面所說,利用這種方法,玻璃化轉變溫度的確定通常有對應的三種取法,分別為儲存模量曲線上的ONSET溫度值、損耗模量曲線和損耗因子曲線上的峰值溫度。這三種取值方法都有效可行,但卻會產生不一樣的結果。此外,不同的振蕩模式、不同的升溫速度、頻率等都會影響到玻璃化轉變溫度的測量結果。
 
使用玻璃化轉變溫度進行質量控制
 
上述幾種技術都經常用于產品的質量控制過程。
 
差示掃描量熱法更多的是用在實驗室(樹脂生產廠實驗室或者委托檢測實驗室等)內,測試對象一般為常見的熱塑性材料、無定形非晶材料,例如聚碳酸酯(PC)、聚氯乙烯(PVC)、丙烯腈-苯乙烯-丁二烯共聚物(ABS)以及丙烯酸等。
 
熱機械分析法(TMA)一般適用于熱固性材料以及用于航空航天領域的復合材料的質量控制過程中。
 
動態熱機械分析法(DMA)在質量控制方面的應用則更加廣泛,尤其適用于復合材料的質量控制過程,復合材料在投入到最終使用前一般都會經過嚴格的檢查測試過程,以精確控制其物理力學性能,利用DMA測量高分子材料的玻璃化轉變溫度是一項很常規的測試,主要是為了確定材料性能是否與預期的一致。
 
利用上述幾種測試方法得到的數據的可靠性及精度與所用儀器的維護和校正程度緊密相關。
 
校正——以動態熱機械分析法為例
 
利用動態熱機械分析法測量材料的玻璃化轉變溫度,不同的測試操作以及對儀器進行不一樣的校正工作都會造成最終測量結果有所偏差。
 
目前,動態熱機械分析法的測試標準有很多種可以選擇,例如ASTM、ISO、MIL、行業標準以及客戶要求的特殊標準等。在測試過程中,測試者需要注意這幾項測試標準里面會有一些差別。
 
當利用動態熱機械分析法測量材料的玻璃化轉變溫度時,能夠顯著影響測量結果的變量主要有:夾具類型(如三點彎曲,單懸臂等)、升溫速度、頻率、凈化氣體類型以及氣體流速、材料的熱擴散系數以及熱電偶的安放位置等??悸塹秸廡?,就不難理解采用不同的測試標準或者方法,對測試設備需要采用不同的校正方法。其中有些校正方法會依照設備生產商的建議方法,或者參考一些其他專門針對DMA的校正方法等,所有的這些因素都可能會導致最終測量的玻璃化轉變溫度結果產生顯著的不同。
 
結論
 
目前,已經有各種各樣的測試方法能夠測量出高分子材料的玻璃化轉變溫度。針對某些測試樣品,有時還需要反復試驗以確定最適宜的測量方法。
 
此外,如果希望將測得的數據與傳統已有的數據進行對比,一定要清楚兩種測量方法以及測量參數是否一致,因為不同的測量方法及測量參數都會造成最終數據產生一定的偏差。
 
同樣的,如果是按照測試規范或者行業標準進行測試,測試技術和測試參數必須嚴格按照要求選取,因為即使是采取同一種測試技術,獲取玻璃化轉變溫度也可能存在多種方式(如DMA),最終得到的結果之間也會存在偏差。利用差示掃描量熱法、熱機械分析法、動態熱機械分析法測量玻璃化轉變溫度得到的結果很少會相同,其結果可能會相差20℃,甚至更多!
 
利用各種技術測量高分子材料的玻璃化轉變溫度具有非常重要的意義,但如前所述,采用不同的測試技術,得到的結果也不盡相同,因此,在產品的質量控制過程中,一定要清楚采用的是哪種測量方法,對于不同測試技術測得的不同結果需要認真加以分析判斷。
 
譯自:qualitymag
來源:材料與測試
譯者:vince
 
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