Espectroscopia Raman e Análise Térmica Nano de uma mistura de polímeros Usando Nano-TA Sonda térmica de Anasys Instruments

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Temas Abordados

Fundo
Técnica de Análise Térmica locais
Instalação Experimental
Resultados e Discussão
Conclusões

Fundo

Caracterizar blendas poliméricas pode, por vezes apresentam um desafio significativo para uma técnica única ea melhor forma é uma combinação de técnicas. Neste artigo, discutimos uma mistura PA6-PET, que foi inicialmente caracterizada através de espectroscopia Raman com resolução espacial 500nm. Caracterização térmica subsequente em uma resolução espacial sub-100nm através da sonda térmica nano-TA revelou um monte de detalhes interessantes e mais complexas sub-estruturas que não estavam disponíveis a partir do estudo Raman e ajudou na obtenção de uma compreensão detalhada da mistura.

Técnica de Análise Térmica locais

Nano-TA sonda térmica é uma técnica de análise térmica locais que combina as capacidades de alta resolução espacial de imagens de microscopia de força atômica com a capacidade de obter uma compreensão do comportamento térmico de materiais com uma resolução espacial de sub-100nm. (Um avanço na resolução espacial ~ 50x melhor que o estado da arte). A ponta do AFM convencional é substituído por um especial sonda nano-TA térmica sonda que tem um aquecedor em miniatura incorporado e é controlado pelo especialmente concebidos sonda nano-TA térmica hardware e software. Este nano-TA sonda térmica sonda permite uma superfície para ser visualizado com resolução em nanoescala com modos de rotina da AFM de imagem que permite ao usuário selecionar as localizações espaciais em que eles gostariam de investigar as propriedades térmicas da superfície. O usuário então obtém essas informações através da aplicação de calor local via a ponta da sonda e medir a resposta termomecânica.

Instalação Experimental

Microscopia Raman foi realizada com um sistema confocal Raman com resolução espacial de 500nm (detalhes são de propriedade da Nissan ARC). Os resultados foram obtidos em nanoescala térmica usando um Dimension 3100 Veeco AFM equipado com um Instruments Anasys ( AI ) nano-análise térmica ( nano-TA sonda térmica ) de acessórios e AI sonda micro-usinado térmica. De imagem e análise térmica localizada (LTA) espacialmente precisa na escala de 100 nm foi realizada. O contato e modos de escutas foram utilizados para adquirir imagens de superfície e LTA empregada para determinar a temperatura de transição vítrea (Tg) dos diferentes domínios em uma taxa de aquecimento 10 ° C / s.

O nano-TA sonda térmica dados apresentados são a deflexão do cantilever (enquanto a sonda está em contato com a superfície da amostra eo feedback desligado) em função do sonda de temperatura. Esta medida é semelhante à técnica bem estabelecida de análise termomecânica (TMA) e é conhecido como nano-TA sonda térmica . Eventos como a fusão de vidro ou transições que resultam no amolecimento do material sob a ponta, produz uma deflexão para baixo do cantilever. Mais informações sobre esta técnica podem ser obtidas no www.anasysinstruments.com .

Resultados e Discussão

A mistura de PA6 e PET investigado aqui foi uma proporção de 1:3. Foi primeiramente caracterizados com espectroscopia Raman e nano-TA sonda térmica foi utilizado para melhor caracterizar a amostra em regiões onde a resolução espacial da técnica Raman era insuficiente e para obter informações adicionais. Na figura 1, os espectros Raman para PET e PA6 são dadas.

Figura 1. Raman Spectra para PET e PE6

A Figura 2 mostra imagens Raman da mistura de números de onda diferentes, à esquerda é a imagem Raman em 2830-2940 cm ^-1 que destaca o dado PA6 seu pico dominante em 2900 cm ^-1. À direita está a imagem Raman em 1590-1640 cm ^-1 que destaca as regiões PET devido a um dos picos dominantes em seus espectros que ocorrem em 1600 cm ^-1. Com base nisso, podemos identificar ilhas ocluída de PA6 cercado por PET com alguns domínios ocluída de PET dentro de uma matriz cuja composição não é bem definida.

Figura 2. Imagens Raman da mistura para os números de onda indicado

Como dito acima, com base nas imagens Raman mostrado na figura 2, podemos ver que a mistura de polímeros tem regiões ocluída cuja porção central é composta de PA6 rodeado por uma camada de PET. Há também domínios do PET, que correspondem às áreas escuras na imagem centímetros 2830-2940 ^-1 e assim não estão associados a PA6.

Informações de nano-TA sonda térmica : Fig. 3 mostra uma imagem AFM fase da borda da região PET que está em contato com a PA6, bem como o interior PA6. Pode ser visto que não há estrutura nas regiões que cercam PET ocluída PA6 domínios que é da ordem de dezenas de nanômetros e, portanto, muito menor do que pode ser resolvido com microscopia Raman.

Figura 3. Imagem de fase de parte de uma região PA6/PET ocluído com nano-TA resultados sonda térmica a partir da porção central e PA6 no PET em torno

Há uma borda em torno da região, que é de cerca de 100 nm de largura e além disso há um outro tipo de estrutura na região mais central. A fronteira mostra uma transição em 248 ° C que pode ser claramente atribuída a PET que, então, concorda com os dados Raman. O mais central PA6 região, que os dados Raman mostra-se PA6, exibe uma transição de fusão em 237 ° C que é muito maior do que 220 ° C que é a temperatura de fusão de PA6. As curvas para esta região também mostram uma transição em 123 ° C, que tem todas as características de uma transição de vidro. A Tg do PET é de cerca de 70 ° C enquanto que para PA6 é 50 ° C. As taxas de aquecimento rápido utilizados nestes experimentos, em torno de 20 ° C / seg., Dará origem a um maior Tg do que é visto em mais convencionais experimentos de análise térmica, mas isso não pode explicar a temperatura muito elevada que é visto aqui. A explicação mais provável é que este surge a partir da chamada fração amorfa rígida. É sabido que as regiões amorfas localizado entre os domínios cristalinos podem ser feitas pelo rígidas restrições à mobilidade impostas pelo material cristalino e assim a Tg do material é aumentada. Como para a temperatura de fusão mais elevado exibido pela região central de PA6, pensamos taxa de aquecimento ultra-alta e área de derretimento ultra pequeno leva, neste caso, a supressão do alívio da orientação molecular pela fronteira em torno da área de derretimento. Assim cadeias de polímeros de PA6 cristais ainda estão em um estado orientado no estado fundido, reduzindo assim a entropia de fusão e resultando em um ponto de fusão mais elevado. Isto sugere que a temperatura de fusão medida por nano-TA sonda térmica pode nos dar mais informações sobre a orientação de polímero se aplicam taxas de aquecimento diferentes e isso vai ser objecto de trabalho futuro.

A Figura 4 mostra a imagem AFM da topografia do material da matriz entre os domínios PA6/PET tem uma estrutura clara com domínios circulares que são aproximadamente 1-3 microns.

Figura 4. Imagem Topografia da Matrix com nano-TA resultados sonda térmica na estrutura esférica e resto da matriz

A imagem Raman em 1590-1640 cm ^-1 (que destaca o PET) mostra algumas características deste tamanho que parecem ser domínios PET dentro de uma matriz que tem uma composição que deve ser uma combinação dos dois materiais. Na figura 8 podemos ver que a temperatura de fusão dentro dos domínios circular é de 217 + / - 3 ° C, que é a temperatura de fusão para a PA6 (dentro de erro experimental). O material entre esses domínios tem uma temperatura de fusão mais elevado, mas que é inferior à temperatura de fusão do PET puro. Imagens de alta resolução AFM destes também mostram claras diferenças estruturais. Pode-se concluir que os domínios circular visto na imagem AFM na figura 4 não são aquelas vistas na imagem Raman, que destaca PET na figura 2, tanto por causa da baixa temperatura de fusão e porque pode ser visto para estar presente em maior densidade do que a figura domínios PET 6 revela. Conseqüentemente, há domínios aproximadamente circular em uma escala de microns PET que são ricos e também aqueles que são ricos em PA6. Uma inspeção mais próxima da imagem 2830-2940 cm ^-1 (que destaca PA6) na figura 2 sugere que há mal resolvido escala mícron recursos não associados com PA6 e por isso este dá sustentação à nano-TA sonda térmica de dados.

Em resumo, a mistura PA6/PET é um sistema complexo e caracterizar a sua estrutura apresenta um desafio significativo. Há PA6 ou PA6 ricos domínios que são cercados por material PET ou PET-ricos. O PET no estas características tem uma infra-estrutura, há um invólucro externo de 100 nm que é PET altamente cristalino. Dentro da central de PA6 domínios há uma região que tem uma quantidade significativa de material amorfo que tem uma Tg muito alto. Esta transição vítrea elevada surge porque os domínios amorfos, se tornam rígidas provavelmente por causa de sua ligação íntima com a fase cristalina. Há a interessante observação de que a oclusão PA6 domínios têm uma temperatura de fusão mais elevado do que o esperado ea explicação para isso é o tema do trabalho em curso. Para além destes domínios de duas fases, há domínios única fase de microns 1-3 de tanto material PET-ricos e PA6-ricos. Em torno de todos esses é uma matriz que é uma mistura de PET e PA6 que tem uma temperatura de fusão intermediária entre estes dois materiais.

Conclusões

AFM e nano-TA sonda térmica pode ser usada sem outras técnicas para avaliar a estrutura de materiais difíceis de caracterizar, por outros meios, como a microscopia Raman. No caso investigado aqui uma excelente concordância e complementaridade entre as Raman e nano-TA sonda térmica dados foi realizada para determinar a composição dos diferentes domínios. As diferentes técnicas fornecem informações diferentes, os espectros Raman pode dar informação inequívoca sobre a composição química, enquanto a AFM e nano-TA sonda térmica proporcionar maior resolução espacial, e informações sobre temperatura de transição que pode ser usando para identificar os materiais e diferenciar facilmente entre cristalinas e amorfas fases. Estas investigações podem ser vistos como exemplos genéricos do problema geral de caracterizar a estrutura e composição de materiais em uma escala nanométrica e como tal a gama de aplicações é potencialmente enorme.

Fonte: Anasys Instruments

Para mais informações sobre essa fonte por favor visite Anasys Instruments