Hoe reageren materialen op warmte? Inzicht in thermische eigenschappen is cruciaal voor technische toepassingen en beïnvloedt alles van materiaalselectie tot prestatievoorspellingen. Dit artikel verkent verschillende methoden die gebruikt worden bij thermische analyse, zoals thermogravimetrische analyse (TGA) en differentiële scanning calorimetrie (DSC), en hun praktische toepassingen. Lezers krijgen inzicht in hoe deze technieken helpen bij het voorspellen van materiaalgedrag bij temperatuurveranderingen, waardoor de betrouwbaarheid en veiligheid van technische projecten worden verbeterd.
De essentie van thermische analyse is temperatuuranalyse.
Thermische analysetechnologie is het meten van de verandering van fysische eigenschappen van stoffen met de temperatuur onder controle van een geprogrammeerde temperatuur (d.w.z. constante snelheid van temperatuurstijging, constante snelheid van temperatuurdaling, constante temperatuur of stapsgewijze temperatuurstijging, enz.), die wordt gebruikt om de verandering van fysische parameters zoals thermische, mechanische, akoestische, optische, elektrische, magnetische, enz. van stoffen bij een specifieke temperatuur te bestuderen, namelijk P=f (T).
De temperatuurverandering is ontworpen volgens een bepaalde regel, namelijk het programma regeltemperatuur: T=(t), dus de eigenschap is zowel een functie van de temperatuur als van de tijd: P=f (T, t).
Het wordt veel gebruikt om de thermische, fysische en mechanische eigenschappen en stabiliteit van materialen te karakteriseren.
Het is van groot praktisch belang voor het onderzoek en de ontwikkeling van materialen en de kwaliteitscontrole in de productie.
Volgens de inductie en classificatie van de International Thermal Analysis Association (ICTA) zijn de huidige thermische analysemethoden onderverdeeld in negen categorieën en zeventien soorten.
De meest gebruikte thermische analysemethoden zijn thermogravimetrische analyse (TG), differentiële scanning calorimetrie (DSC), statische scanning calorimetrie (DSC) en thermische analyse. thermomechanisch analyse (TMA), dynamische thermomechanische analyse (DMTA), dynamische diëlektrische analyse (DETA), enz.
Het zijn functies voor het meten van materiaalgewicht, warmte, grootte, modulus, conformiteit, diëlektrische constante en andere parameters op temperatuur.
| Fysieke eigenschap | Naam analysetechnologie | afkorting | fysieke eigenschap | Naam analysetechnologie | afkorting |
| 1. Kwaliteit | 1) Thermogravimetrie | TG | 3. Enthalpie | 9) Differentiële scanning calorimetrie | DSC |
| 2) Isobarische massaveranderingsmeting | 4. Afmetingen | 10) Thermische uitzettingsmethode | |||
| 3) Detectie van ontsnappend gas | EGD | 5. Mechanische eigenschappen | 11) Thermomechanische analyse | TMA | |
| 4) Analyse van vluchtgassen | EGA | 12) Dynamische thermomechanische analyse | DMA | ||
| 5) Radiothermische analyse | 6. Akoestische eigenschappen | 13) Thermo-akoestische methode | |||
| 6) Thermische deeltjesanalyse | 14) Thermo-akoestische methode | ||||
| 2. Temperatuur | 7) Bepaling van de verwarmingscurve | 7. Optische kenmerken | 15) Thermooptische methode | ||
| 8) Differentiële thermische analyse | DTA | 8. Elektrische kenmerken | 16) Thermo-elektriciteitsmethode | ||
| 9. Magnetische eigenschappen | 17) Thermomagnetische methode |
(1) Thermogravimetrische analyse (TG)
Thermogravimetrie (TG) is een techniek om de verandering van monstermassa met temperatuur of tijd te meten onder controle van een geprogrammeerde temperatuur.
Toepassingsgebied:
(1) De chemische veranderingen zoals thermische stabiliteit, thermische ontbinding en oxidatieve degradatie van materialen in inert gas, lucht en zuurstof worden voornamelijk bestudeerd;
(2) Alle fysische processen waarbij massa verandert, worden bestudeerd, zoals bepaling van vocht, vluchtige stoffen en residu, absorptie en desorptie, vergassingssnelheid en vergassingswarmte, sublimatiesnelheid en sublimatiewarmte, de samenstelling van polymeer of mengsel met vulstof, enz.
Principe-uitleg:
De thermogravimetrische curve (TG-curve) wordt verkregen door de gewichtsfractie van het monster w uit te zetten tegen de temperatuur T of de tijd t: w=f (T of t).
Omdat het grootste deel van de temperatuurstijging lineair is, verschillen T en t maar één constante.
De eerste afgeleide van de TG-curve met betrekking tot temperatuur of tijd, dw/dT of dw/dt, wordt differentiële thermogravimetrische curve (DTG-curve) genoemd.
In Fig. 2 is de cumulatieve gewichtsverandering op Ti op punt B de ondergrens van de thermobalansdetectie bereikt, die de initiële reactietemperatuur wordt genoemd;
De gewichtsverandering op punt C Tf niet gedetecteerd kan worden, wat de eindreactietemperatuur wordt genoemd;
Ti of Tf kan ook worden bepaald door extrapolatie, die is onderverdeeld in G-punt en H-punt;
De temperatuur waarbij het gewichtsverlies een vooraf bepaalde waarde bereikt (5%, 10%, enz.) kan ook worden genomen als Ti.
Tp staat voor de temperatuur van het maximale gewichtsverlies, wat overeenkomt met de piektemperatuur van de DTG-curve.
Het piekgebied is evenredig met de gewichtsverandering van het monster.
Praktische toepassing:
Thermogravimetrie is een belangrijke methode geworden om het thermische veranderingsproces van polymeren te bestuderen vanwege de snelheid en eenvoud.
De TG-curve van het mengsel van PTFE en acetaalcopolymeer in Fig. 3 kan bijvoorbeeld worden gebruikt om de componenten van het mengsel te analyseren.
Uit de figuur blijkt dat bij verhitting in N2De acetaalcomponent ontleedt (ongeveer 80%) bij 300~350 ℃ en het PTFE begint te ontleden (ongeveer 20%) bij 550 ℃.
Beïnvloedende factoren:
(a) Verwarmingssnelheid:
Hoe sneller de temperatuur stijgt, hoe groter het temperatuurverschil, hoe hoger de Ti en Tfen hoe groter het reactietemperatuurbereik.
Voorgesteld wordt om polymeermonsters 10K/min en anorganische en metaalmonsters 10-20K/min te laten draaien;
(b) Deeltjesgrootte en dosering van het monster:
De deeltjesgrootte van het monster mag niet te groot zijn en de compactheid van de vulling moet matig zijn.
Voor dezelfde partij testmonsters moeten de deeltjesgrootte en de pakkingsdichtheid van elk monster consistent zijn;
(c) Sfeer:
Gebruikelijke atmosferen zijn lucht, O2, N2He, H2, CO2Cl2 en waterdamp.
Het reactiemechanisme is verschillend in verschillende atmosferen. Wanneer de atmosfeer reageert met het monster, wordt de vorm van de TG-curve beïnvloed;
(d) Het materiaal en de vorm van de monsterhouder.
(2) Statische thermomechanische analyse (TMA)
Thermomechanische analyse is een techniek om de functionele relatie tussen de vervorming van materialen en temperatuurtijd te meten onder invloed van programmatemperatuur en niet-trillingsbelasting, waarbij vooral de uitzettingscoëfficiënt en faseovergangstemperatuur van materialen worden gemeten.
Toepassingsgebied:
Praktische toepassing:
(a) Onderzoek naar vezels en film:
Het kan de rek, krimpprestaties, modulus en bijbehorende temperatuur, spanningsrekanalyse en spanningsanalyse onder vries- en verwarmingsomstandigheden meten;
(b) Karakterisering van composietmaterialen:
Naast de studie van vezels met TMA, de versterking van composietmaterialen, de glasovergangstemperatuur TgDe geltijd en vloeibaarheid van hars, thermische uitzettingscoëfficiënt en andere eigenschappen, maar ook de maatvastheid en stabiliteit bij hoge temperaturen van meerlaagse composietmaterialen kunnen snel gemeten en bestudeerd worden met TMA;
(c) Onderzoek naar coatings:
Het is mogelijk om te weten of de coating overeenkomt met het substraat en het bijbehorende temperatuurbereik;
(d) Onderzoek naar rubber:
Zo kan worden vastgesteld of het rubber nog elastisch is en of de maat stabiel is in een zware gebruiksomgeving.
Beïnvloedende factoren:
(a) Verwarmingssnelheid:
De temperatuurverdeling van het monster is ongelijkmatig als de verwarmingssnelheid te hoog is;
(b) Thermische geschiedenis van het monster;
(c) Monsterfouten:
Poreusheid, ongelijkmatige verdeling van vulmiddel, scheuren, enz;
(d) Druk uitgeoefend door de sonde:
0,001~0,1N wordt over het algemeen aanbevolen;
(e) Chemische verandering van het monster;
(f) Externe trillingen;
(g) Kalibratie:
Kalibratie van sonde, temperatuur, druk, ovenconstante enz;
(h) Sfeer;
(i) Vorm van het monster
Of het bovenste en onderste oppervlak parallel zijn aangebracht.
(3) Differentiële scanning calorimetrie (DSC)
Principe-uitleg:
Differential scanning calorimetrie (DSC) is een technologie om de relatie te meten tussen het vermogensverschil tussen het materiaal en het referentiemateriaal en de temperatuur onder de programmaregeltemperatuur.
Er zijn twee soorten differentiële scanning calorimetrie: compensatietype en warmtestroomtype.
Twee groepen compenserende verwarmingsdraden worden onder de monster- en referentieobjectcontainers geïnstalleerd.
Wanneer het temperatuurverschil ΔT tussen het monster en het referentieobject optreedt als gevolg van het thermische effect tijdens het verwarmingsproces, zal de stroom die in de compenserende verwarmingsdraad vloeit veranderen via het circuit van de differentiële thermische versterker en de differentiële thermische compensatieversterker.
Wanneer het monster warmte absorbeert, zal de compensatieversterker onmiddellijk de stroom aan één kant van het monster verhogen;
Wanneer het monster daarentegen exotherm is, zal de stroom aan één zijde van het referentiemateriaal toenemen totdat de warmte aan beide zijden in evenwicht is en het temperatuurverschil ΔT verdwijnt.
Bij differentiële scanning calorimetrie is de relatiecurve tussen de toegepaste warmte en de temperatuur die nodig is om het temperatuurverschil tussen het monster en de referentie per tijdseenheid op nul te houden een DSC-curve.
De verticale as van de curve is de hoeveelheid verwarming per tijdseenheid en de horizontale as is de temperatuur of tijd.
De oppervlakte van de curve is evenredig met de verandering van enthalpie. Een typische DSC-curve wordt getoond in Fig. 4.
Toepassingsgebied:
(1) Bepaling van uithardingsreactietemperatuur en thermisch effect van materialen, zoals reactiewarmte, reactiesnelheid, enz;
(2) Bepaling van thermodynamische en kinetische parameters van stoffen, zoals specifieke warmtecapaciteit, omzettingswarmte, enz;
(3) Bepaling van kristallisatie, smelttemperatuur en thermisch effect van materialen;
(4) Zuiverheid van het monster, enz.
Beïnvloedende factoren:
(a) Verwarmingssnelheid:
De feitelijke testresultaten laten zien dat een te hoge verhitting een ongelijkmatige temperatuurverdeling in het monster veroorzaakt en dat het ovenlichaam en het monster ook een thermische onbalans veroorzaken, zodat de invloed van de verhitting zeer complex is.
(b) Sfeer:
Verschillende gassen hebben een verschillende thermische geleidbaarheid, wat de thermische weerstand tussen de ovenwand en het monster beïnvloedt en de piektemperatuur en enthalpie beïnvloedt.
(c) Monster dosering:
Niet te veel, om uitzetting van de piekvorm en vermindering van de resolutie door trage interne warmteoverdracht en grote temperatuurgradiënt te voorkomen.
(d) Deeltjesgrootte van het monster:
Wanneer de deeltjesgrootte van het poeder verschilt, zullen er door de invloed van warmteoverdracht en diffusie verschillen optreden in de testresultaten.
(4) Dynamische thermomechanische analyse (DMA)
Dynamische thermomechanische analyse meet de relatie tussen de mechanische eigenschappen van visco-elastische materialen en tijd, temperatuur of frequentie.
Het monster wordt vervormd onder invloed en controle van periodieke (sinusvormige) mechanische spanning.
Toepassingsgebied:
De dynamische thermomechanische analysator wordt voornamelijk gebruikt om de glasovergangstemperatuur, de belastingstemperatuur van thermische vervorming, kruip, opslagmodulus (stijfheid), verliesmodulus (dempingsvermogen), spanningsrelaxatie, enz. van anorganische materialen te testen, metalen materialencomposietmaterialen en polymeermaterialen (kunststoffen, rubber, enz.).
DMA-basisprincipe:
DMA karakteriseert de eigenschappen van materialen via de staat van moleculaire beweging.
De moleculaire beweging en fysische toestand bepalen de dynamische modulus (stijfheid) en de demping (de energie die het monster verliest tijdens trillingen).
Wanneer een sinusoïdale wisselspanning met variabele amplitude wordt toegepast op het proefstuk, wordt een sinusoïdale rek met een vooraf ingestelde amplitude gegenereerd en zal de rek op visco-elastische proefstukken achterblijven bij een bepaalde fasehoek δ, zoals getoond in Fig. 5.
De DMA-technologie verdeelt de visco-elasticiteit van materialen in twee moduli:
Opslagmodulus E':
E' is recht evenredig met de maximale elasticiteit van het monster dat in elke week is opgeslagen en weerspiegelt de elastische componenten in de visco-elasticiteit van het materiaal en karakteriseert de stijfheid van het materiaal;
De verliesmodulus E ":
E" is recht evenredig met de energie die door het monster wordt verbruikt in de vorm van warmte in elke week en weerspiegelt het viskeuze deel van de visco-elasticiteit van het materiaal en vertegenwoordigt de demping van het materiaal.
De demping van het materiaal wordt ook de interne wrijving, uitgedrukt als tanδ, en de verhouding van de energie die door het materiaal verloren gaat in de wekelijkse periode tot de maximale elastische opslagenergie is gelijk aan de verliesmodulus E 'en de opslagmodulus E 'van het materiaal.
DMA maakt gebruik van temperatuurstijging scannen, van de ondersteunende omgevingstemperatuur tot de smelttemperatuur, tanδ toont een reeks pieken, en elke piek zal overeenkomen met een specifiek relaxatieproces.
De fasehoek tanδ, verliesmodulus E 'en opslagmodulus E 'kunnen met DMA worden gemeten als functie van temperatuur, frequentie of tijd.
Het geeft niet alleen mechanische eigenschappen in een breed temperatuur- en frequentiebereik, maar kan ook de glasovergang, overgang bij lage temperatuur en secundaire relaxatieprocessen van materialen detecteren.
De verliespiek kan bijvoorbeeld de overgang van een bepaalde eenheidsbeweging weergeven.
Fig. 6 toont de curve van polystyreen tg die verandert met de temperatuur, waaruit kan worden afgeleid dat de piek de beweging van fenyl rond de hoofdketen kan zijn;
De piek is de beweging van benzeen rond de binding die de hoofdketen verbindt.
Beïnvloedende factoren: verwarmingssnelheid, dikte van het monster, aan- of afwezigheid van metalen coating, type armatuur, enz.
(5) Dynamische diëlektrische analyse (DETA)
Dynamische diëlektrische analyse is een technologie om de verandering van diëlektrische eigenschappen van materialen met de temperatuur te testen wanneer materialen worden verwarmd door een bepaald gecontroleerd temperatuurprogramma onder een wisselend elektrisch veld met een bepaalde frequentie.
Principe van diëlektrische analyse:
De diëlektrica met dipolen zullen onder invloed van het externe elektrische veld gericht worden met het externe elektrische veld.
De polarisatie van de dipool is gerelateerd aan de temperatuur en gaat gepaard met energieverbruik.
Over het algemeen vertegenwoordigt de diëlektrische constante (ε) de polarisatiegraad van het diëlektricum onder het externe elektrische veld, terwijl het diëlektrische verlies (D) het energieverlies vertegenwoordigt dat wordt veroorzaakt door polarisatieverwarming onder het externe elektrische veld.
De gerichte opstelling van de dipolen onder invloed van het externe elektrische veld zal ook terugkeren naar de ongeordende toestand bij verwijdering van het externe elektrische veld.
De tijd die de dipool nodig heeft om terug te keren van de regelmatige rangschikking naar de willekeurige rangschikking wordt de "diëlektrische relaxatietijd T" genoemd, volgens de theorie van Debye:
η is de viscositeit van het medium, a is de moleculaire straal, K is de constante van Boltzmann en T is de temperatuur K.
De relaxatietijd is gerelateerd aan de grootte en vorm van de moleculen en de viscositeit van het medium. En
Waarbij: tgδ de tangens van de verlieshoek is, en ε0 de diëlektrische constante onder elektrostatisch veld; ε∞ de diëlektrische constante bij de optische frequentie.
Het is te zien dat ε en tgδ fysische grootheden zijn die gerelateerd zijn aan relaxatietijd τ, en daarom gerelateerd aan moleculaire structuur, grootte en mediumviscositeit, wat de basis is voor het gebruik van diëlektrische eigenschappen om de moleculaire structuur van stoffen te bestuderen.
Uit de bovenstaande twee vergelijkingen kan worden bewezen dat wanneer:
Wanneer ε een maximumwaarde heeft, is f0 wordt "polarisatiefrequentie" genoemd.
Dat wil zeggen, wanneer de frequentie van het externe elektrische veld de polarisatiefrequentie is, is het diëlektrisch verlies erg groot.
Toepassingsgebied:
Deze techniek is veel gebruikt om de moleculaire structuur, de polymerisatiegraad en het polymeermechanisme van diëlektrische materialen te bestuderen.
In termen van toepassingsobjecten zijn er thermoplastische en thermohardende harsen zoals polyacrylaatmethylester, polyvinylchloride, polyamide, polyimide, polystyreen, fenolformaldehyde, epoxy en was.
Daarnaast zijn er polyfenyl maple en polybenzimidazole in hars dat bestand is tegen hoge temperaturen en eiwitten in biologische verbindingen.
De specifieke toepassingen omvatten ook versterkte kunststoffen, vormmaterialen, coatings, kleefstoffen, rubber, glas, keramiek en andere metaaloxiden.
In het laboratorium kan DETA worden gebruikt als een krachtig hulpmiddel voor visco-elastisch onderzoek, zoals het testen van dynamische mechanische eigenschappen en thermische mechanische eigenschappen.
In de industriële productie kan het worden gebruikt bij de productie van hars, kwaliteitscontrole, vooruitharding en uithardingsgraadcontrole.
Als oprichter van MachineMFG heb ik meer dan tien jaar van mijn carrière gewijd aan de metaalbewerkingsindustrie. Door mijn uitgebreide ervaring ben ik een expert geworden op het gebied van plaatbewerking, verspaning, werktuigbouwkunde en gereedschapsmachines voor metalen. Ik denk, lees en schrijf voortdurend over deze onderwerpen en streef er voortdurend naar om voorop te blijven lopen in mijn vakgebied. Laat mijn kennis en expertise een aanwinst zijn voor uw bedrijf.
NL 
EN 
AR 
DE 
ES 
FR 
IT 
JA 
PT 
PT_BR 
RU 
KO