中科大热分析仪在材料研发的应用课件

热分析仪在材料研发的应用TAInstruments中国,成都联络处郭鹰热分析技术热分析的定义研究物质的物理性质随温度、时间的变化一组技术是材料表征的基本手段热分析应用领域研究开发质量控制重量(Weight)-TGA

尺度(Length)-TMA

熱流(HeatFlow)-DSC

模量(Modulus)-DMA常用热分析技术测量的物理特性TAInstrumentsInc.产品:QSeriesDSCQ20DSCQ200DSCQ2000DSC差示扫描量热仪量热仪测量流进流出样品的热流差示量热仪

测量样品与参比样的热流差差示扫描量热仪

测量上述所有的量，并以线性或调制的温度变化来加热/冷却样品DSC测量样品吸热和放热与温度或时间的关系吸热热流入样品，即样品吸收外界热量，为负值。放热热流出样品，即样品对外界放出热量，为正值。差示扫描量热分析(DSC)

差示扫描量热分析(DSC)是应用最普遍的热分析技术DSC测量吸热和放热转变与温度的函数关系

吸热效应热流传递给样品

放热效应热流流出样品

用来表征聚合物、药物、食品/生物、有机物和无机物测量的转变包括：玻璃化转变温度、熔化、结晶、固化和固化动力学、氧化起始温度和热容DSC:典型DSC转变温度热流->放热玻璃化转变结晶熔化交联(固化)

氧化或分解好巧克力的标准---只溶在口,不溶在手测定“结晶蔗糖”中无定形态的含量应用实例---环氧树脂的玻璃化转变温度,第一步测试应用实例---环氧树脂的玻璃化转变温度,第二步测试应用实例---环氧树脂的玻璃化转变温度,MDSCMDSC®提供准确的零结晶度调制DSC®的优越性-分离复杂反应OITTest氧化诱导时间测定-标准测试WhatisIsothermalCrystallization?

ATime-To-EventExperimentAnnealingTemperatureMeltTemperatureIsothermalCrystallizationTemperatureTemperatureTimeZeroTimeIsothermalCrystallizationPolypropylene

TGA:TGA可以告诉我们什么材料热稳定性材料氧化稳定性多组份系统的组成产品预期寿命的评估材料分解动力学反应和腐蚀气体对材料的影响材料的水份及挥发份TGAGivesDecompositionTemperature

TGA:EvaluationofHighTemperaturePolymers0100200300400500600700800020406080100TEMPERATURE(°C)WEIGHTPERCENTPVCPMMAHDPEPTFEPIwt. :10mgprog.:5°Catm.,:N2

TGA:组分分析0100200300400500600700800020406080100TEMPERATURE(°C)WEIGHTPERCENT31.0%PTFE18.0%C50.5%Si02

size:10mg

prog:5°CN20.5%VOLATILESAIR普通TGA-表面吸附水与结晶水高分辨TGA-表面吸附水与结晶水普通TGA-五个结晶水的硫酸铜样品高分辨TGA-五个结晶水的硫酸铜样品

SDT:SDT可以告诉我们什么材料的氧化/热稳定性多组份系统的组成产品寿命预估材料分解动力学反应和腐蚀性气体对材料的影响材料的水份和挥发份的含量转变温度扩散热和反应热熔点和沸点典型TGA/SDT数据测定材料在一定条件（温度、频率、应力或应变水平、气氛与湿度等）下的刚度与阻尼。测定材料的刚度与阻尼随温度、频率或时间的变化，获得与材料的结构、分子运动、加工与应用有关的特征参数。应用对象：热塑性材料、热固性材料、复合材料、弹性体、陶瓷、金属、玻璃、纤维、薄膜等其它粘弹性材料。DMA技术的定义DMA的样品尺寸有一定要求弯曲

悬臂

三点弯曲

拉伸

薄膜纤维

剪切

压缩动态力学分析仪

如果对一种聚合物样品只允许你做一次实验，那么所做的选择应该是一个固体试样在宽阔温度范围内的动态力学试验。----高分子物理学家：A.Tobolsky热机械分析(DMA)的特点

很小的试样在宽阔的频率和温度范围内连续地进行测定，在较短的时间内获得高分子材料的动态力学性能的频率谱或温度谱。测定高聚物的各种转变，评价高聚物的耐寒性、耐热性、相容性、减震阻尼效率等的一种简便方法；并可为研究高分子的聚集态结构提供信息。对于在动态载荷条件下使用的产品，动态测量结果比静态测量结果更接近实际，因而对产品设计更重要。粘弹性定义材料行为的范围类似固体

----------类似液体理想固体

-----绝大多数材料

-----理想流体完全弹性

-----

粘弹性

-----完全粘性粘弹性:同时具有粘性和弹性的性质

1996,TAInstruments,Inc.理想极端的动态响应100%弹性行为(100%ElasticBehavior)相角=0度(=0)100%粘性行为(100%ViscousBehavior)相角=90度(=90)应变(Strain)

应力(Stress)Hooke’slawE=s/e

Newton’slawe=h.ds/dt

1996,TAInstruments,Inc.粘弹理论:粘弹材料的粘弹解析

粘弹行为(ViscoelasticBehavior)相位角介于0到90度之间

(<90)E*(complexmodulus)E‘(elasticmodulus)

复合模量=应力幅度/应变幅度

(E*=stressamp/strainamp)弹性(储存)模量(E')=E*cos

粘性(损耗)模量(E")=E*sin

阻尼(dampingor

tan)=E"/E'应力(Stress)应变(Strain)E”(viscousmodulus)变形方式

拉伸tension剪切Shear弯曲Bending结构与性能的关系结晶度、分子量和交联对模量的影响结晶度度模量的影响0%-Amorphous25%40%65%M.P.

1996,TAInstruments,Inc.比较不同结晶度的PET薄膜(厚10m)粘性模量

E"(MPa)4003002001000弹性模量

E'(MPa)500040003000200010000温度

(oC)7510015020012550175低结晶度高结晶度低结晶度高结晶度模量与Tg二者都随结晶度增加而增加E'E"热成型包装膜的热性能Primary/SecondaryTransitionsinPETFilmTgβ

Transition灵敏度高，可测试次级转变：乙烯基酯的主、次级转变测试

1996,TAInstruments,Inc.储能模量与热变形温度的比较(DTUL)溫度

(oC)

储能模量

(GPa)181614121086420050100150200250300EpoxyPESPETDTUL218oC

DTUL224oCDTUL218oC

1996,TAInstruments,Inc.改变碳黑填充含量对橡胶平台模量的影响

振幅(

m)20120

弹性模量

E'(MPa)0401210864100

碳黑填充量

3>2>18060321聚苯乙烯－丁苯橡胶共混物的不相容性-500501001500.010.101.010TemperatureLogarithmicdecrementShearmodulus,G,(Nm)-2109108107106105(oC)聚醋酸乙烯酯－聚甲基丙烯酸甲酯共混物的相容性TemperatureShearmodulusG(nM)1061071081091-2blendcopolymerLogarithmicdecrement-200204060800.010.11.0Temperature(oC)(oC)碳黑含量对橡胶弹性体力学性能的影响DMA在轮胎中的应用：湿滑性及滚动摩擦轮胎方橡胶进行动态力学性能测试其力学损耗tanδ值反映了轮胎的抗湿滑性能和滚动摩擦性能该数据对汽车在路面上安全行驶、节能降耗具有重大意义。DMA具有快速、灵敏、样品用量少的特点，可以在宽广的温度和频率范围进行测试，这是一般的测试仪器的不能比拟的。DMA在轮胎中的应用：橡胶的阻尼特征SSBR不同的S/B,其tanδ谱图1S/B：0/10012/8816/8420/8040/6044/56

DMA在轮胎中的应用：橡胶阻尼特征偶联剂不同用量的影响

DMA在轮胎中的应用：湿滑性及滚动摩擦力学损耗tanδ在0

C的值表明抗湿滑性能其值越大抗湿滑性能越好：安全力学损耗tanδ在60

C的值表明其滚动摩擦性能其值越小摩擦越小：节能DMA在轮胎中的应用：不同橡胶的特性Mechlin2300DMA在轮胎中的应用：不同橡胶的特性SIBR集成橡胶DMA在轮胎中的应用：不同橡胶的特性丁基橡胶DMA在金属中的应用：阻尼能力DampingCapacity利用DSC,TGA,TMA技术研究工程塑料PEIPPS利用DSC,TGA,TMA技术研究工程塑料利用DSC,TGA,TMA技术研究工程塑料PEI聚醚酰亚胺

PPS聚苯硫醚

微观世界:分子结构的尺寸、温度与时间松弛时间分布分子运动温度变化侧基运动

主链运动

结晶融熔流动tg

tb

tgg

tg

tatmTgTb

Tgg

TgTaTm流变学中的视角与物性观RangeofDMASamplecharacteristicsdictatesinstrumentselectionRheometerRangesforanamorphouspolymerLossModulus(E"orG")StorageModulus(E'orG')logE'(G')andE"(G")TemperatureRangeofRotationalRheometersSomeViscoelasticLiquidCharacterizationPossiblewithShearSandwichGlassyGlassTransitionRubberyTerminalSomeSolidCharacterizationinTorsion典型流变分析图形LogG’,tandG’tand温度频率低高高低运动小分子运动软链段缠结分子运动自由链段运动硬链段160°C聚苯乙烯PSMWD=2Antiperspirant/Deodorant

卫生用品llllllllllll010203040506070TemperatureT[C]1E+031E+041E+051E+061E+071E+08ModulusG'[Pa]Usesmallparticlestoreducesedimentation

speed

用小颗粒降低沉淀速度Addrheologicalmodifierlikeclaytostabilizethesuspensionandkeeptheparticlesinsuspension

添加流变改性剂，如粘土，将改善悬浮夜的稳定性，保持颗粒悬浮在液体中。

Thetemperaturedependenceofthemodulusgovernsthebehaviorduringtheapplicationtotheskin。诸如将用品涂抹在皮肤的过程，其模量与温度的依存性起到了重要的作用。Creams/Lotions

护肤霜/乳液'''''''''''lllllllllllppppppppppplllllllllll012345678910strain[%]1E+031E+041E+051E+06ModuliG'&G''[Pa]G'emulsionAG''emulsionAG'emulsionBG''emulsionBlplpStabilityofacosmeticcream化妆品的稳定性Stabilitycriterion:Nocreaming(formationofaconcentrateddispersedphaseatthetop)

稳定性的条件：不出现分层

AlthoughG’ishigherforsampleBatlowstrain,sampleAshowsabetterstabilitybecauseitismoreresistanttolargestraindeformations尽管样品B在低应变下的G’是高的，但A样品的稳定性更好，因为样品A在大应变情况下抵抗变形的能力更强。德芙巧克力TA仪器公司世界热分析/流变仪的专业公司业界技术领先者世界市场份额No.

1技术领先、产品领先TA公司的发展历程美国TA公司成立于1990年，它的前身为DuPont（杜邦）仪器部。1962年TAInstruments(DuPont)首次在纽约ISA展览会上推出Model900热分析仪，此前大多数的热分析仪是自制的，用来对无机物测试。DuPont设计制造的900是基于DuPont公司评价自己的塑料和纤维开发的。这也是世界上第一台承受工业实验室条件的热分析仪器。很多当时的仪器至今在世界很多地方仍然在使用。于1990年从DuPont独立，成为专门生产热分析的专业厂商，TA=ThermalAnalysis。1996年股权并入Waters公司，成为其下的一个子公司

自从1962年TAInstruments(DuPont)保持不断开发新产品，并一直走在热分析界的前列。1968年推出压力DSC（PressureDSC）1978推出计算机

DSC(ComputerDSC)1982年推出双样品DSC（DualSampleDSC）……1992年推出调制DSC（ModulatedDSCTM），MDSC得到专利八项（美国6项，加拿大一