열 분석 기법

테크닉 노트

EAG의 과학자들은 재료 특성화 및 맞춤 연구 설계를위한 열 분석 기법을 사용하는 전문가입니다. 이 애플리케이션 노트 세부 정보 TGA (열 중량 분석), TG-EGA (진화 가스 분석을 이용한 열 중량 분석), DSC (시차 주사 열량계), TMA (열 기계 분석) 및 DMA (동적 기계 분석). 이러한 기술은 상세한 재료 식별, 고장 분석 및 변형 (리버스 엔지니어링) 조사에서 중요한 역할을 수행했습니다.

열분해 분석 (TGA)

기술

TGA 는 온도 또는 시간의 함수로서 제어 된 열 환경에서 샘플 무게의 변화를 측정합니다. 샘플 무게 (질량)의 변화는 화학적 또는 물리적 특성의 변화의 결과 일 수 있습니다.

TGA 고체 및 액체의 열 안정성을 조사하는데 유용합니다. 민감한 마이크로 저울은 시료가 가열되거나 가열로에서 등온 적으로 유지 될 때 시료의 질량 변화를 측정합니다. 샘플을 포위하는 퍼지 가스는 화학적으로 불활성이거나 반응성 일 수 있습니다. TGA 기기는 테스트 중에 가스를 전환하여 단일 실험에서 광범위한 정보를 제공하도록 프로그래밍 할 수 있습니다.

일반적인 응용 프로그램

열 안정성 / 분해 연구
물리적 및 화학적 변화로 인한 대량 손실 조사
휘발성 물질 / 습기의 정량화
스크리닝 첨가제
승화, 승화
변형 / 실패 분석
건조 감량
잔류 물 / 충전재 함량
분해 동역학

강점

작은 표본 크기
최소한의 시료 준비로 고체 및 액체 분석
재료의 물리적 및 화학적 변화에 따른 다중 질량 손실 열적 사건의 정량 분석
여러 중복 질량 손실 이벤트의 분리 및 분석

한정

진화 된 제품은 TGA가 진화 된 가스 분석기 (예 : TGA / MS 또는 TGA / FTIR)에 연결된 경우에만 식별됩니다.

진화 된 가스 분석을 이용한 열 크기 측정 (TG-EGA)

Evolved Gas Analysis 물질의 가스 배출 및 분해는 TGA-IR로 분석됩니다. 삽입물은 TGA 프로파일입니다. 400 ° C – 600 ° C에서 진화 된 가스 종의 FTIR 스펙트럼을 수집했습니다. CO, H의 강렬한 진화₂O, CO₂ 및 C₆H₅OH는 580 ℃ 이상에서 볼 수 있습니다.

기술

TG-EGA 계측은 질량 손실 또는 이득을 초래하는 물리적 및 화학적 과정을 연구하는 데 사용됩니다. 표준 TGA와 마찬가지로, 샘플은 프로그램 된 온도 스윕 또는 등온 홀드를 사용하여 제어 된 가스 분위기에서 가열됩니다. 그러나 TG-EGA 가스 분석기는 가열 및 열분해 동안 시료에 의해 발생 된 가스 분석을 가능하게하는 가열 된 전달 라인을 사용하여 TGA 노에 연결됩니다. 진화 된 가스 분석기는 가스 배출 및 열분해 된 구성 요소에 존재하는 화학 물질을 식별하는 데 사용됩니다.

진화 된 가스 분석기 옵션 TG-EGA 과 같습니다 :

푸리에 변환 적외선 분광 광도계 (FTIR) - 화학 제품군 및 경우에 따라 특정 화합물 식별
질량 분석기 - 화학적 잔류 물이 구체적으로 지정되어 있지만 때때로 다른 가능한 답변이 있습니다.

일반적인 응용 프로그램

열 안정성 (분해) 연구
오프 가스 및 열분해 제품 식별을 통해 통제 된 가스 분위기 및 온도에서 질량 변화 모니터링
미량의 휘발성 물질, 탈수, 첨가제, 화학 반응, 제형 성분, 분해 메커니즘 분석
고분자, 유기 및 무기 물질 분석

강점

동시 열 중량 분석 (TGA) 및 진화 된 화학 잔류 물의 특성 분석
작은 표본 크기
최소한의 시료 준비로 고체 및 액체 분석
재료의 물리적 및 화학적 변화로 인한 다중 질량 손실 열 발생 감지

제한

TGA-FTIR은 H와 같은 비극성 분자를 검출하지 않습니다.₂, N₂,₂
제품 가스의 TGA-FTIR 스펙트럼 식별은 화학 제품군 또는 등급으로 제한 될 수 있습니다.
2 차 기상 반응은 생성물 가스의 식별을 복잡하게 할 수있다.

차등 스캐닝 칼로리 미터 (DSC)

기술

DSC 고체, 액체 또는 반고체 표본에 대한 정량적 열량 측정을 수행합니다. 열유속 DSC는 시료와 비활성 기준 간의 온도차 (T)를 측정하고 방정식을 사용하여 시료 안팎으로의 열 흐름량 (q)을 계산합니다. q = DT / R어디로 R 트랜스 듀서 (DSC 셀)의 열 저항입니다.

DSC Q 시리즈^TM 모델 (TA Instruments, Inc.)은 셀 저항 및 커패시턴스 교정을 적용하여 절대 열 유량을 측정합니다. 이 기능을 사용하면 한 번의 실험을 통해 재료의 비열 용량을 직접 측정 할 수 있습니다. Q 시리즈^TM 온도라는 특별한 작동 모드가 특징이다. 변조 DSC (MDSC). MDSC는 선형 가열 속도에 겹쳐진 정현파 온도 변조를 적용합니다. MDSC는 약한 전이를 측정하고 중복 된 열 이벤트를 분리하고 매우 정확한 열 용량 측정을 제공하는 강력한 기술입니다.

일반적인 응용 프로그램

상 전환 및 반응 분석 : 융점, 결정화, 유리 전이, 경화 온도, 델타 H
순수 화합물 및 혼합물의 열용량 측정
품질 비교 (QC, 고장 분석, 신소재 평가)
알 수없는 자료 식별
첨가제의 제제, 블렌드 및 효과 평가
노화의 영향을 파악하고 열 이력 평가
결정화도 백분율
상대적으로 순수한 유기물의 순도 퍼센트 결정
결정화에 대한 경화 또는 결정화 동역학 및 불순물 효과 연구
고분자 블렌드와 공중 합체의 상분리 결정
치료의 추정 정도; 잔류 경화 측정
공융 점 평가
다형성 물질 특성화
미묘한, 약한 또는 겹치는 상 전환을 해결하십시오.

강점

작은 표본 크기
상 전환 및 열용량의 고정밀 측정
매우 정확한 온도 제어 (등온선 홀드 및 가열 / 냉각 램프)
프로그래밍 가능한 시퀀스
미묘하거나 약한 상 변화의 민감한 측정
중첩 된 열 전이를 분리하는 기능

제한

"도가니"또는 팬의 바닥에 상대적으로 평평하게 퍼지는 표면을 가진 샘플에 가장 적합합니다.
상전이 (예 : 용융)와 동일한 온도 영역 내에서 분해가 발생하면 정확한 데이터를 얻을 수 없습니다.
샘플의 질량은 정확한 측정을 위해 팬에서 일정하게 유지되어야합니다. 이는 시험 중 증발 또는 승화에 대한 시료의 손실이 없음을 의미합니다.

열전달 분석 (TMA)

기술

TMA 기계적 하중 하에서 점탄성 물질의 물리적 특성을 온도 및 시간의 함수로서 연구하는데 사용된다. 측정은 샘플에 힘을 가하는 프로브에 의해 압축 또는 장력 모드에서 수행됩니다.

일반적인 점탄성 물질은 온도가 상승함에 따라 부피가 변화합니다. 샘플이 치수를 변경함에 따라 프로브가 위 또는 아래로 이동하고 이동 거리가 프로브에 연결된 변환기로 정확하게 측정됩니다. 측정 된 샘플 길이의 변화는 수축, 팽창, 부풀음 및 연화와 같은 특성과 관련이 있습니다.

TMA 기술은 올바른 프로 브 (probe)의 선택 및 관심 대상의 성질을 측정하기위한 조건을 포함한다. 일반적인 프로브 구성은 다음과 같습니다.

압축 형 힘 : 플랫폼에 장착 된 시료 위에 시료가 놓입니다. 접촉 영역 (프로브 팁 형상) 및 힘의 선택에 따라 팽창, 수축 또는 연화를 모니터링하는 데 사용됩니다.
인장력 : 필름 또는 섬유 시료는 고정 된 플랫폼과 프로브 사이에 고정됩니다. 팽창, 수축 및 연화를 측정하는 데 사용됩니다.

일반적인 응용 프로그램

중합체의 연화점 (Tg) 결정
폴리머, 복합 재료, 세라믹, 무기물 및 금속의 열팽창 계수 (CTE) 측정
유리 상태 (Tg 이하) 및 고무 상태 (Tg 이상)에서의 CTE 차이를 특성화합니다.
열가소성 수지 또는 열경화성 폴리머의 Tg에 대한 물리적 노화, 가교 결합 또는 후 경화의 연구 효과
작동 온도 및 하중에서 부품의 치수 안정성 결정
방향성 필름의 수축 특성화
"기계"및 "횡단"또는 "평면 내"및 "평면 외"의 하중 방향에 따라 필름 또는 적층 복합 재료의 수축 및 팽창의 차이를 평가합니다.
치수 변화시 하중 변화를 평가하기 위해 램프 또는 계단식 힘을가합니다.
등고선 (Isostrain) : 재료가 가열되는 동안 일정한 변형을 유지하는 데 필요한 힘을 측정합니다.

강점

작은 표본 크기
낮은 힘 범위
힘의 변경 : 선형 및 계단식
프로그래밍 가능한 온도 : (1) 순차적 가열 및 냉각 사이클, (2) 등온

제한

확장을 위해 평행 한면과 균일 한 두께가 필요합니다.
합리적인 크기의 침투 샘플

동적 기계 분석 (DMA)

기술

폴리머는 두 가지 방법으로 운동 에너지에 반응합니다 : (1) 형상 회복에 중요한 탄성 응답과 기계 에너지를 분산시키고 파손을 방지하는 데 필요한 점성 응답 (2). 동적 기계 분석 (DMA)는 낮은 적용된 기계적 힘의 조건 하에서 점탄성 특성이라고 불리는 이러한 응답을 연구하는 데 사용됩니다.

고분자 점탄성은 온도와 시간에 따라 달라집니다. 제어 된 가열 및 / 또는 냉각은 폴리머 강성 및 복원력에 대한 온도 영향을 연구하기 위해 DMA 기기에 통합되어 있습니다. 폴리머를 기계적으로 변형시키는 데 사용되는 테스트 속도 또는 시간 척도는 영구 변형에 대한 저항에 대한 시간 (또는 주파수) 효과에 대한 연구를 가능하게합니다. 힘, 온도, 시간 또는 주파수의 매개 변수를 전략적으로 사용하여 얻은 지식은 실제 응용에서 중합체 성능을 예측하는 기초를 제공합니다.

DMA는 고체 고분자 재료의 기계적 시험을위한 클램프 시스템을 사용합니다. 폴리머 테스트 샘플은 먼저 선택한 클램프 유형으로 작동 할 수있는 모양으로 트리밍, 절단 또는 성형되어야합니다. 폴리머 샘플의 클램프 선택은 특정 스터디 유형에 가장 적합한 유형의 기계식 모션을 제공하는 것에 기반합니다.

장력 (신축성)
압축 (푸시)
굽힘 (굽힘)
전단 (시료 표면에 평행 한 운동)

모든 DMA 클램프 구성에는 이동식 클램프와 샘플을 장착하는 데 사용되는 하나 이상의 고정형 클램프가 있습니다. 가동부는 힘을 가하고 샘플을 늘이거나, 구부리거나, 가위로 또는 압축시켜 변위시킵니다. 일부 클램프 유형은 클램프를 움직이기 전에 샘플에 초기 낮은 힘을 적용해야합니다. 이것은 샘플을 긴장 상태로 유지 시키거나 다이나믹 테스트를 통해 가동 클램프와 샘플 (압축, 3- 포인트 벤드) 사이의 접촉을 유지합니다.

동적 테스트에서, 정현파 운동은 가동 클램프에 의해 샘플에 적용됩니다. 재료의 주기적 변위가 지정된 힘에서 발생하므로 사인파 응답의 진폭이 측정됩니다. 재료의 응력 및 변형률 응답은 샘플의 기하학적 구조와 치수 및 정현파 입력과 응답 사이의 위상 각을 기반으로 계산됩니다.

고분자를 포함한 점탄성 물질의 응력 및 변형률 값은 온도, 시간, 주파수 및 적용된 진동 진폭의 함수입니다. 그러나 동적 테스트의 경우 가장 좋은 방법은 측정 값을 진폭과 무관하게 유지하는 것입니다. 따라서 DMA 방법 개발은 소재의 선형 점탄성 범위 (LVR) 내에서 진폭 매개 변수를 선택하기 위해 진폭 스위프를 통합합니다. 대부분의 재료의 경우 LVR 내에서의 작동을 보장하기 위해 1 % 미만의 변형 진폭이 권장됩니다.

DMA로 측정 한 위상 각은 응력과 변형에 대한 삼각 방정식을 유도하는 데 사용됩니다. 이 방정식의 수학적 유도는이 백서의 범위를 벗어납니다. 그러나 응력과 변형률의 관계는 위상 각 또는 중합체 응답이 변형률 입력에 얼마나 뒤떨어 지는지에 따라 달라집니다. 위상 각을 통합하는 응력에 대한 응력의 삼각 관계는 샘플 응답이 기계적 입력과 동 위상 및 역 위상 인 정도를 나타내는 세 가지 양을 제공합니다.

이들은 다음과 같습니다

E '= 저장 탄성률
E "= 손실 계수
E "/ E '= tanδ

샘플이 전단 모드에서 시험 될 때, 저장 및 손실 계수는 각각 G '및 G "로 표시된다. 그리고 탄 δ는 G "/ G '가된다.

저장 탄성률 (E '또는 G')은 로딩 사이클 동안 재료에 의해 저장된 기계적 에너지에 해당합니다. 결과적으로, 저장 탄성률은 하중 동안 중합체의 강성 및 형태 회복과 관련된다. 손실 계수 (E "또는 G")는 내부 분자 운동을 통해 기계 에너지를 분산시키는 중합체의 능력을 나타내는 감쇠 거동을 나타냅니다. 비교하여 황갈색 델타는 비율 E "/ E '입니다. 탄젠트 델타 피크 최대 값은 물질이 분자 구조에 따라 고무 흐름, 영구 변형 또는 둘 모두와 일치하는 장거리 협동 분자 운동을 나타내는 유리 전이 (Tg)를 가장 잘 나타냅니다.

일반적인 응용 프로그램

경질 / 경질 / 연질 / 고 무상의 온도 (시간) 의존 계수 변화를 보여주는 "점탄성 스펙트럼"을 연구하십시오
폴리머의 유리 전이 온도 (Tg) 결정
주파수의 함수로서 탄성 (저장) 계수의 변화를 연구
"댐핑"특성화 : 내부 운동 (손실 계수, 탄젠트 델타)을 통한 기계 에너지 소산
고분자의 비교 분석 및 불량 분석
고분자 블렌드 또는 공중 합체의 상분리 연구
기계적 특성 및 Tg에 대한 물리적 노화, 가교 결합 또는 후 경화의 영향을 결정합니다.
TTS (Time-Temperature Superpositioning) : 몇 가지 전략적 DMA 테스트를 사용하여 더 넓은 주파수 (또는 더 긴 시간) 범위에서 물질적 행동을 예측하십시오.

강점

변형 스윕 : 일정한 온도에서 선형 점탄성 성능 영역을 찾기 위해 변형 진폭의 범위를 사용합니다.
주파수 스윕 : 다양한 진동 속도를 사용하여 기계적 특성에 미치는 주파수의 영향을 결정합니다.
온도 상승 또는 등온 조건 : 기계적 반응에 대한 온도 영향을 연구하기위한 정밀 가열 및 냉각
다양한 변위 모드 : 1) 박막 및 섬유의 인장 강도; 2) 충진 및 결정질 고분자, 열가소성 물질, 가교 고분자, 엘라스토머 및 복합체의 굴곡 (구부림) 3) 부드러운 폼, 젤 및 고무의 전단
제어 된 힘 / 변위 모드 : 즉각적인 힘 또는 변위를 가한 후 기계적 반응을 측정하는 비 진동식 테스트 : 1) 크리프 / 복구; 2) 응력 완화

제한

기하학적으로 균일 한 시험편
시험편은 내포물, 기포 및 균열이 없어야한다.
방법 개발과 특성의 통계적 평균을 얻기 위해 여러 표본 필요