热分析技术

技术说明

EAG的科学家是使用热分析技术进行材料表征以及设计定制研究的专家。本应用笔记详细信息 TGA （热重分析），TG-EGA（使用逸出气体分析的热重分析）， DSC （差示扫描量热法）， TMA （热机械分析）和 DMA （动态力学分析）。这些技术在详细的材料识别，失效分析和退役（逆向工程）调查中发挥了关键作用。

热重分析（TGA）

商品描述

TGA 测量受控热环境中样品重量随温度或时间变化的变化。样品重量（质量）的变化可能是化学或物理性质变化的结果。

TGA 可用于研究固体和液体的热稳定性。敏感的微量天平测量样品在炉内加热或等温保持时的质量变化。样品周围的吹扫气体可以是化学惰性的或反应性的。可以对TGA仪器进行编程，以便在测试期间切换气体，从而在单个实验中提供广泛的信息。

常见的应用程序

热稳定性/降解研究
调查由物理和化学变化引起的质量损失
挥发物/水分的定量
筛选添加剂
V aporization，升华
变形/失效分析
干燥失重
残留物/填料含量
分解动力学

优势

小样本
用最少的样品制备分析固体和液体
定量分析材料物理和化学变化引起的多次质量损失热事件
多重重叠质量损失事件的分离与分析

局限性

只有当TGA连接到演化气体分析仪（例如TGA / MS或TGA / FTIR）时才能识别演化产品

进化气体分析的热重分析（TG-EGA）

演化气体分析通过TGA-IR分析材料的除气和分解。插入是TGA轮廓。收集了从400°C – 600°C的放出气体物种的FTIR光谱。 CO，H的剧烈释放₂O，CO₂ 和C.₆H₅在580°C以上可以看到OH。

商品描述

TG-EGA 仪器用于研究导致质量损失或增益的物理和化学过程。与标准TGA一样，样品在受控气体气氛中使用程序化温度扫描或等温保持加热。但 TG-EGA 更进一步：使用加热的传输线将气体分析仪连接到TGA炉，这使得能够分析在加热和热解过程中由样品产生的气体。放出的气体分析仪用于识别脱气和热解组分中存在的化学物质。

Evolved Gas Analyzer选项 TG-EGA 包括：

傅立叶变换红外分光光度计（FTIR） - 化学族的鉴定，在某些情况下，鉴定特定化合物
质量分析器 - 化学残留物是专门指定的，但有时会有其他可能的答案

常见的应用程序

热稳定性（降解）研究
通过确定排气和热解产物，监测受控气体气氛和温度下的质量变化
分析痕量挥发物，脱水，添加剂，化学反应，配方成分，分解机理
分析聚合物，有机和无机材料

优势

同时热重分析（TGA）和演化的化学残留物的表征
小样本
用最少的样品制备分析固体和液体
从材料的物理和化学变化检测多个质量损失热事件

限制

TGA-FTIR不检测非极性分子，例如H.₂，N₂，“₂
产品气体的TGA-FTIR光谱识别可能仅限于化学族或类
二次气相反应可能使产物气体的识别复杂化

差示扫描量热法（DSC）

商品描述

DSC 对固体，液体或半固体样品进行定量量热测量。热通量DSC测量样品与惰性参比之间的温度差（T），并使用等式计算进出样品的热流量（q） q = DT / R.，其中 R 是传感器（DSC电池）的热阻。

DSC Q系列^TM model（TA Instruments，Inc。）通过应用电池电阻和电容校准来测量绝对热流。此功能可以使用单个实验直接测量材料的比热容。 Q系列^TM 具有称为温度的特殊操作模式调制 DSC （MDSC）。 MDSC应用叠加在线性加热速率上的正弦温度调制。 MDSC是一种功能强大的技术，可以测量弱转换，分离重叠的热事件并提供高精度的热容量测量。

常见的应用程序

分析相变和反应：熔点，结晶，玻璃化转变，固化温度，ΔH
测量纯化合物和混合物的热容量
比较质量（质量控制，故障分析，新材料评估）
识别未知材料
评估添加剂的配方，混合物和效果
确定老化的影响并评估热历史
估算结晶度百分比
确定相对纯有机物的纯度百分比
研究固化或结晶动力学和杂质对结晶的影响
确定聚合物共混物和共聚物的相分离
估计治愈程度; 测量残留固化
评估共晶点
表征多晶材料
解决细微，弱或重叠的相变

优势

小样本
高精度测量相变和热容量
非常精确的温度控制（等温保持和加热/冷却斜坡）
可编程序列
微弱或弱相变的敏感测量
能够分离重叠的热转换

限制

最适用于表面相对于“坩埚”或锅底部相对平坦的样品。
在与相变（例如熔化）相同的温度区域内发生分解时，无法获得准确的数据
样品的质量必须在锅中保持恒定，以便进行精确测量; 这意味着在测试过程中样品不会蒸发或升华

热力学分析（TMA）

商品描述

TMA 用于研究粘弹性材料在机械载荷下的物理性质随温度和时间的变化。通过向样品施加力的探针以压缩或张力模式进行测量。

典型的粘弹性材料随着温度的升高而表现出体积变化。当样品改变尺寸时，探针向上或向下移动，并且通过耦合到探针的换能器精确测量行进距离。测量的样品长度变化与收缩，膨胀，膨胀和软化等性质相关。

TMA 技术涉及选择正确的探针和条件以测量感兴趣的性质。典型探头配置包括：

压缩型力：探头放置在样品顶部，样品安装在平台上。用于根据接触区域（探针尖端几何形状）和力的选择监控膨胀，收缩或软化。
张力型力：薄膜或纤维样品夹在固定平台和探头之间。用于测量膨胀，收缩和软化。

常见的应用程序

确定聚合物的软化点（Tg）
测量聚合物，复合材料，陶瓷，无机物和金属的热膨胀系数（CTE）
表征聚合物在玻璃态（低于Tg）和橡胶状态（高于Tg）下的CTE差异
研究物理老化，交联或后固化对热塑性塑料或热固性聚合物的Tg的影响
确定零件在工作温度和负载下的尺寸稳定性
表征取向薄膜的收缩率
评估薄膜或层状复合材料的收缩和膨胀差异与加载方向的关系：“机器”和“横向”，或“平面内”和“平面外”
强制斜坡或阶梯力来评估尺寸变化时的变化负荷
Isostrain：测量材料加热时保持恒定应变所需的力

优势

小样本
力量范围小
强制改变：线性和逐步
可编程温度：（1）顺序加热和冷却循环，（2）等温

限制

需要平行的面和均匀的厚度进行扩展
用于穿透的合理扁平样品

动态力学分析（DMA）

商品描述

聚合物以两种方式响应运动能量：（1）弹性响应对形状恢复和（2）粘性响应很重要，这对于分散机械能和防止破损至关重要。动态力学分析（DMA用于研究这些响应，称为粘弹性，在低施加机械力的条件下。

聚合物粘弹性取决于温度和时间。受控加热和/或冷却结合在DMA仪器中以研究温度对聚合物刚度和弹性的影响。用于使聚合物机械变形的测试速度或时间尺度使得能够研究对永久变形的抗性的时间（或频率）效应。通过战略性使用力，温度，时间或频率参数获得的知识为预测现实世界应用中的聚合物性能提供了基础。

DMA利用夹具系统对固体聚合物材料进行机械测试。必须首先将聚合物测试样品修剪，切割或模制成可与所选夹具类型一起使用的形状。聚合物样品的夹具选择基于为特定研究类型提供最合适类型的机械运动：

张力（拉伸）
压缩（推送）
弯曲（弯曲）
剪切（平行于样品表面的运动）

所有DMA钳位配置均具有可移动夹具和一个或多个固定夹具，用于安装样品。可移动部件施加力并通过拉伸，弯曲，剪切或压缩样品来移动样品。在将夹具设置为运动之前，某些夹具类型必须对样品施加初始的低力。这样可以在整个动态测试过程中保持样品拉紧（张力）或保持可动夹具和样品（压缩，3点弯曲）之间的接触。

在动态测试中，通过可移动夹具对样品施加正弦运动。当材料的循环位移发生在指定的力时，测量正弦波响应的幅度。基于样品的几何形状和尺寸以及正弦输入和响应之间的相角来计算材料的应力和应变响应。

粘弹性材料（包括聚合物）的应力和应变值是温度，时间，频率和施加的振荡幅度的函数。但是，对于动态测试，最佳做法是使测量与振幅无关。因此，DMA方法开发包括幅度扫描以选择材料的线性粘弹性范围（LVR）内的幅度参数。对于大多数材料，建议应变幅度小于1％，以确保在LVR内操作。

通过DMA测量的相位角用于导出应力和应变的三角方程。这些方程的数学推导超出了本文的范围。然而，应力和应变的关系取决于相角，或聚合物响应滞后于应变输入的程度。包含相角的应力与应变的三角关系给出了三个量，这三个量描述了样品响应与机械输入同相和异相的程度。

它们是：

E'=存储模量
E“=损失模数
E“/ E'=tanδ

当在剪切模式下测试样品时，储存和损耗模量分别表示为G'和G“。 tanδ变为G“/ G'。

储能模量（E'或G'）对应于在装载循环期间由材料储存的机械能。因此，储能模量与加载期间聚合物的刚度和形状恢复有关。损耗模量（E“或G”）表示阻尼行为，其表示聚合物通过内部分子运动分散机械能的能力。相比之下，tanδ是比率E“/ E'。 tanδ中的峰值最大值最好地表示玻璃化转变（Tg），其中材料表现出长程协同分子运动，其与橡胶流动，永久变形或两者一致，这取决于分子结构。

常见的应用程序

研究“粘弹性光谱”，其显示温度（和时间）相关的模量从硬/刚性变为软/橡胶状
确定聚合物的玻璃化转变（Tg）
研究作为频率函数的弹性（储存）模量的变化
表征“阻尼”：通过内部运动耗散机械能（损耗模量，tan delta）
聚合物的比较和失效分析
研究聚合物共混物或共聚物的相分离
确定物理老化，交联或后固化对机械性能和Tg的影响
时间 - 温度叠加（TTS）：使用一些战略性DMA测试预测更宽频率（或更长时间）范围内的材料行为

优势

应变扫描：使用一系列应变振幅来找到恒温下线性粘弹性能的区域
频率扫描：使用各种振荡速率来确定频率对机械特性的影响
温度斜坡或等温条件：精确加热和冷却，以研究温度对机械响应的影响
各种位移模式：1）薄膜和纤维的拉伸（拉伸）; 2）填充和结晶聚合物，热塑性塑料，交联聚合物，弹性体和复合材料的弯曲（弯曲）; 3）剪切软泡沫，凝胶和橡胶
受控力/位移模式：在施加瞬时力或位移后测量机械响应的非振荡测试：1）蠕变/恢复; 2）压力放松

限制

几何均匀的试样
试样应无夹杂物，气泡和裂缝
需要多个样本进行方法开发并获得属性的统计平均值