Panduan Profesional untuk Menganalisis Sifat Termal dalam Material

Pengantar Analisis Termal

Inti dari analisis termal adalah analisis suhu.

Teknologi analisis termal adalah untuk mengukur perubahan sifat fisik zat dengan suhu di bawah kendali suhu terprogram (yaitu laju kenaikan suhu konstan, laju penurunan suhu konstan, suhu konstan atau kenaikan suhu langkah, dll.), Yang digunakan untuk mempelajari perubahan parameter fisik seperti termal, mekanik, akustik, optik, listrik, magnetik, dll. zat pada suhu tertentu, yaitu P = f (T).

Perubahan suhu didesain menurut aturan tertentu, yaitu, suhu kontrol program: T = (t), sehingga propertinya merupakan fungsi suhu dan waktu: P = f (T, t).

Pentingnya analisis termal material

Alat ini banyak digunakan untuk mengkarakterisasi sifat termal, fisik, dan mekanik serta stabilitas bahan.

Hal ini sangat penting secara praktis untuk penelitian dan pengembangan bahan dan kontrol kualitas dalam produksi.

Tinjauan sejarah singkat analisis termal

Interpretasi Metode Analisis Termal Umum

Menurut induksi dan klasifikasi Asosiasi Analisis Termal Internasional (ICTA), metode analisis termal saat ini dibagi ke dalam sembilan kategori dan tujuh belas jenis.

Metode analisis termal yang umum digunakan meliputi analisis termogravimetri (TG), kalorimetri pemindaian diferensial (DSC), statis termomekanis analisis (TMA), analisis termomekanis dinamis (DMTA), analisis dielektrik dinamis (DETA), dll.

Mereka adalah fungsi untuk mengukur berat material, panas, ukuran, modulus, kepatuhan, konstanta dielektrik dan parameter lain pada suhu.

(1) Analisis termogravimetri (TG)

Termogravimetri (TG) adalah teknik untuk mengukur perubahan massa sampel dengan suhu atau waktu di bawah kendali suhu yang diprogram.

Lingkup aplikasi:

(1) Perubahan kimiawi seperti stabilitas termal, dekomposisi termal dan degradasi oksidatif bahan dalam gas inert, udara dan oksigen terutama dipelajari;

(2) Semua proses fisik yang melibatkan perubahan massa dipelajari, seperti penentuan kelembaban, zat mudah menguap dan residu, penyerapan dan desorpsi, laju gasifikasi dan panas gasifikasi, laju sublimasi dan panas sublimasi, komposisi polimer atau campuran dengan bahan pengisi, dll.

Penjelasan prinsip:

Kurva termogravimetri (kurva TG) diperoleh dengan memplotkan fraksi berat sampel w terhadap suhu T atau waktu t: w = f (T atau t).

Karena sebagian besar kenaikan suhu bersifat linier, T dan t hanya berbeda satu konstanta.

Turunan pertama kurva TG terhadap suhu atau waktu, dw/dT atau dw/dt, disebut kurva termogravimetri diferensial (kurva DTG).

Pada Gbr. 2, perubahan berat kumulatif pada T_i pada titik B mencapai batas bawah deteksi termobalance, yang disebut suhu reaksi awal;

Perubahan berat pada titik C T_f tidak dapat dideteksi, yang disebut suhu akhir reaksi;

T_i atau T_f juga dapat ditentukan dengan ekstrapolasi, yang dibagi menjadi titik G dan titik H;

Suhu saat penurunan berat badan mencapai nilai yang telah ditentukan (5%, 10%, dll.) juga dapat diambil sebagai T_i.

T_p mewakili suhu laju penurunan berat badan maksimum, sesuai dengan suhu puncak kurva DTG.

Area puncak sebanding dengan perubahan berat sampel.

Aplikasi praktis:

Termogravimetri telah menjadi metode penting untuk mempelajari proses perubahan termal polimer karena kecepatan dan kesederhanaannya.

Sebagai contoh, kurva TG dari campuran PTFE dan kopolimer asetal pada Gbr. 3 dapat digunakan untuk menganalisis komponen-komponen campuran.

Dari gambar tersebut dapat diketahui bahwa ketika dipanaskan dalam N₂komponen asetal terurai (sekitar 80%) pada 300 ~ 350 ℃, dan PTFE mulai terurai (sekitar 20%) pada 550 ℃.

Faktor-faktor yang mempengaruhi:

(a) Laju pemanasan:

Semakin cepat suhu naik, semakin besar jeda suhu, semakin tinggi T_i dan T_fdan semakin luas rentang suhu reaksi.

Disarankan bahwa sampel polimer sebaiknya 10K/menit, sampel anorganik dan logam sebaiknya 10-20K/menit;

(b) Ukuran partikel dan dosis sampel:

Ukuran partikel sampel tidak boleh terlalu besar dan kekompakan isiannya harus moderat.

Untuk batch sampel uji yang sama, ukuran partikel dan kekencangan kemasan setiap sampel harus konsisten;

(c) Suasana:

Atmosfer yang umum termasuk udara, O₂, N₂Dia, H₂, CO₂Cl₂ dan uap air.

Mekanisme reaksi berbeda pada atmosfer yang berbeda. Apabila atmosfer bereaksi dengan sampel, bentuk kurva TG akan terpengaruh;

(d) Bahan dan bentuk piringan sampel.

(2) Analisis Termomekanik Statis (TMA)

Analisis termomekanik adalah teknik untuk mengukur hubungan fungsional antara deformasi bahan dan waktu suhu di bawah aksi suhu program dan beban non getaran, terutama mengukur koefisien ekspansi dan suhu transisi fase bahan.

Lingkup aplikasi:

• Alat analisis termomekanik statis terutama digunakan untuk koefisien ekspansi termal bahan anorganik, bahan logam, bahan komposit, dan bahan polimer (plastik, karet, dll.);
• Suhu transisi kaca;
• Titik leleh;
• Titik pelunakan;
• Memuat suhu deformasi termal;
• Merayap, dll.

Aplikasi praktis:

(a) Penelitian tentang serat dan film:

Alat ini dapat mengukur perpanjangan, kinerja penyusutan, modulus dan suhu yang sesuai, analisis tegangan regangan, dan analisis tegangan dalam kondisi pembekuan dan pemanasan;

(b) Karakterisasi material komposit:

Selain studi tentang serat dengan TMA, penguatan material komposit, suhu transisi gelas T_gwaktu gel dan fluiditas resin, koefisien ekspansi termal dan sifat lainnya, serta stabilitas dimensi dan stabilitas suhu tinggi dari bahan komposit multilayer dapat dengan cepat diukur dan dipelajari dengan TMA;

(c) Penelitian tentang pelapisan:

Hal ini memungkinkan untuk mengetahui, apakah lapisan tersebut cocok dengan substrat dan kisaran suhu yang sesuai;

(d) Penelitian tentang karet:

Dapat diketahui apakah karet masih memiliki elastisitas dan apakah ukurannya stabil dalam lingkungan penggunaan yang keras.

Faktor-faktor yang mempengaruhi:

(a) Laju pemanasan:

Distribusi suhu sampel tidak merata apabila laju pemanasan terlalu cepat;

(b) Contoh riwayat termal;

(c) Cacat sampel:

Porositas, distribusi pengisi yang tidak merata, retak, dll;

(d) Tekanan yang diterapkan oleh probe:

0,001 ~ 0,1N pada umumnya direkomendasikan;

(e) Perubahan kimiawi sampel;

(f) Getaran eksternal;

(g) Kalibrasi:

Kalibrasi probe, suhu, tekanan, konstanta tungku, dll;

(h) Suasana;

(i) Bentuk sampel

Apakah permukaan atas dan bawah diterapkan secara paralel.

(3) Kalorimetri pemindaian diferensial (DSC)

Penjelasan prinsip:

Differential scanning calorimetry (DSC) adalah teknologi untuk mengukur hubungan antara perbedaan daya antara bahan dan bahan referensi dan suhu di bawah suhu kontrol program.

Ada dua jenis kalorimetri pemindaian diferensial: tipe kompensasi dan tipe aliran panas.

Dua kelompok kabel pemanas kompensasi dipasang di bawah wadah sampel dan objek referensi.

Ketika perbedaan suhu ΔT antara sampel dan objek referensi terjadi karena efek termal selama proses pemanasan, arus yang mengalir ke kawat pemanas kompensasi akan berubah melalui rangkaian penguat termal diferensial dan penguat kompensasi termal diferensial.

Ketika sampel menyerap panas, penguat kompensasi akan segera meningkatkan arus pada satu sisi sampel;

Sebaliknya, apabila sampel bersifat eksotermis, arus pada satu sisi bahan referensi akan meningkat sampai panas pada kedua sisi seimbang dan perbedaan suhu ΔT menghilang.

Dalam kalorimetri pemindaian diferensial, kurva hubungan antara panas yang diterapkan dan suhu yang diperlukan untuk menjaga perbedaan suhu antara sampel dan referensi pada nol per satuan waktu adalah kurva DSC.

Sumbu vertikal kurva adalah jumlah pemanasan per satuan waktu, dan sumbu horizontal adalah suhu atau waktu.

Luas kurva sebanding dengan perubahan entalpi. Kurva DSC tipikal ditunjukkan pada Gbr. 4.

Lingkup aplikasi:

(1) Penentuan suhu reaksi pengawetan dan efek termal bahan, seperti panas reaksi, laju reaksi, dll;

(2) Penentuan parameter termodinamika dan kinetik zat, seperti kapasitas panas spesifik, panas transformasi, dll;

(3) Penentuan kristalisasi, suhu leleh dan efek termal bahan;

(4) Kemurnian sampel, dll.

Faktor-faktor yang mempengaruhi:

(a) Laju pemanasan:

Hasil pengujian aktual menunjukkan bahwa laju pemanasan yang terlalu tinggi akan menyebabkan distribusi suhu yang tidak merata pada sampel, dan badan tungku serta sampel juga akan menghasilkan ketidakseimbangan termal, sehingga pengaruh laju pemanasan sangat kompleks.

(b) Suasana:

Gas yang berbeda memiliki konduktivitas termal yang berbeda, yang akan memengaruhi ketahanan termal antara dinding tungku dan sampel, serta memengaruhi suhu puncak dan entalpi.

(c) Dosis sampel:

Jangan terlalu banyak, untuk menghindari perluasan bentuk puncak dan pengurangan resolusi akibat perpindahan panas internal yang lambat dan gradien suhu yang besar.

(d) Ukuran partikel sampel:

Apabila ukuran partikel serbuk berbeda, akibat pengaruh perpindahan panas dan difusi, maka akan terdapat perbedaan dalam hasil pengujian.

(4) Analisis Termomekanik Dinamis (DMA)

Analisis termomekanik dinamis mengukur hubungan antara sifat mekanik bahan viskoelastik dan waktu, suhu, atau frekuensi.

Sampel terdeformasi di bawah aksi dan kontrol tekanan mekanis (sinusoidal) secara berkala.

Lingkup aplikasi:

Penganalisis termomekanik dinamis terutama digunakan untuk menguji suhu transisi kaca, suhu deformasi termal beban, creep, modulus penyimpanan (kekakuan), modulus kehilangan (kinerja redaman), relaksasi tegangan, dll. dari bahan anorganik, bahan logambahan komposit dan bahan polimer (plastik, karet, dll.).

Prinsip dasar DMA:

DMA mengkarakterisasi sifat-sifat bahan melalui keadaan gerak molekul.

Gerakan molekul dan keadaan fisik menentukan modulus dinamis (kekakuan) dan redaman (energi yang hilang oleh sampel dalam getaran).

Ketika tegangan bolak-balik sinusoidal amplitudo variabel diterapkan pada sampel, regangan sinusoidal dengan amplitudo yang telah dipilih sebelumnya akan dihasilkan, dan regangan pada sampel viskoelastik akan tertinggal di belakang sudut fasa δ tertentu, seperti yang ditunjukkan pada Gbr. 5.

Teknologi DMA membagi viskoelastisitas bahan menjadi dua modulus:

Modulus penyimpanan E':

E' berbanding lurus dengan elastisitas maksimum sampel yang disimpan dalam setiap minggu, yang mencerminkan komponen elastis dalam viskoelastisitas bahan dan mengkarakterisasi kekakuan bahan;

Modulus kerugian E":

E" berbanding lurus dengan energi yang dikonsumsi oleh sampel dalam bentuk panas dalam setiap minggu, yang mencerminkan bagian kental dari viskoelastisitas bahan dan mewakili redaman bahan.

Redaman material juga menjadi gesekan internal, yang dinyatakan sebagai tanδ, dan rasio energi yang hilang oleh material dalam periode mingguan terhadap energi penyimpanan elastis maksimum sama dengan modulus kehilangan E "dan modulus penyimpanan E 'dari material.

DMA mengadopsi pemindaian kenaikan suhu, dari suhu lingkungan tambahan ke suhu leleh, tanδ menunjukkan serangkaian puncak, dan setiap puncak akan sesuai dengan proses relaksasi tertentu.

Sudut fase tanδ, modulus kehilangan E "dan modulus penyimpanan E' dapat diukur dengan DMA sebagai fungsi suhu, frekuensi atau waktu.

Ini tidak hanya memberikan sifat mekanik dalam berbagai suhu dan frekuensi, tetapi juga dapat mendeteksi transisi kaca, transisi suhu rendah dan proses relaksasi sekunder bahan.

Contohnya, puncak kehilangan dapat merepresentasikan transisi gerakan unit tertentu.

Gbr. 6 menunjukkan kurva polistiren t_g berubah dengan suhu, dari situ dapat disimpulkan bahwa puncak tersebut mungkin merupakan pergerakan fenil di sekitar rantai utama;

Puncaknya adalah pergerakan benzena di sekitar ikatan yang menghubungkan rantai utama.

Faktor-faktor yang mempengaruhi: laju pemanasan, ketebalan sampel, ada tidaknya lapisan logam, jenis perlengkapan, dll.

(5) Analisis dielektrik dinamis (DETA)

Analisis dielektrik dinamis adalah teknologi untuk menguji perubahan sifat dielektrik bahan dengan suhu ketika bahan dipanaskan dengan program suhu terkontrol tertentu di bawah medan listrik bolak-balik dengan frekuensi tertentu.

Prinsip analisis dielektrik:

Dielektrik dengan dipol akan diatur secara terarah dengan medan listrik eksternal di bawah aksi medan listrik eksternal.

Polarisasi dipol terkait dengan suhu dan disertai dengan konsumsi energi.

Secara umum, konstanta dielektrik (ε) menunjukkan tingkat polarisasi dielektrik di bawah medan listrik eksternal, sedangkan kehilangan dielektrik (D) menunjukkan kehilangan energi yang disebabkan oleh pemanasan polarisasi di bawah medan listrik eksternal.

Susunan arah dipol di bawah aksi medan listrik eksternal, juga akan pulih kembali ke kondisi yang tidak teratur dengan dihilangkannya medan listrik eksternal.

Waktu yang diperlukan dipol untuk pulih dari susunan teratur ke susunan acak disebut "waktu relaksasi dielektrik T", menurut teori Debye:

η adalah viskositas medium, a adalah jari-jari molekul, K adalah konstanta Boltzmann, dan T adalah suhu K.

Waktu relaksasi terkait dengan ukuran dan bentuk molekul serta viskositas medium. Dan

Di mana: tgδ adalah garis singgung sudut kehilangan, dan ε₀ adalah konstanta dielektrik di bawah medan elektrostatik; ε_∞ adalah konstanta dielektrik pada frekuensi optik.

Dapat dilihat bahwa ε dan tgδ adalah besaran fisik yang terkait dengan waktu relaksasi τ, dan oleh karena itu terkait dengan struktur molekul, ukuran dan viskositas medium, yang menjadi dasar penggunaan sifat dielektrik untuk mempelajari struktur molekul zat.

Dapat dibuktikan dari dua persamaan di atas bahwa ketika:

Ketika, ε' memiliki nilai maksimum, f₀ disebut "frekuensi polarisasi".

Artinya, apabila frekuensi medan listrik eksternal adalah frekuensi polarisasi, maka kehilangan dielektrik akan sangat besar.

Lingkup aplikasi:

Teknik ini telah digunakan secara luas untuk mempelajari struktur molekul, derajat polimerisasi dan mekanisme polimer bahan dielektrik.

Dari segi objek aplikasi, ada resin termoplastik dan termoseting seperti poliakrilat metil ester, polivinil klorida, poliamida, polimida, polistiren, fenol formaldehida, epoksi, dan lilin.

Selain itu, terdapat polifenil maple dan polibenzimidazol dalam resin tahan suhu tinggi, dan protein dalam senyawa biologis.

Aplikasi spesifiknya juga mencakup plastik yang diperkuat, bahan cetakan, pelapis, perekat, karet, kaca, keramik, dan oksida logam lainnya.

Di laboratorium, DETA dapat digunakan sebagai alat yang ampuh untuk penelitian viskoelastik, seperti sifat mekanik dinamis dan pengujian sifat mekanik termal.

Dalam produksi industri, dapat digunakan dalam pembuatan resin, kontrol kualitas, kontrol tingkat pra-pengawetan dan pengawetan.