Análisis Térmico de Nanoscale de las Capas del Automóvil Usando la Antena Térmica nano-TA de los Instrumentos de Anasys

Temas Revestidos

Antecedentes
Análisis Térmico Nano
Ajuste Experimental
Resultados y Discusión
Imágenes del Modo Que Golpean Ligeramente
Prueba térmica de la antena nano-TA
Curado de Tipos
Capas Foto-Degradadas del De acrílico-Poliuretano (AU)
Conclusiones
Acuses De Recibo

Antecedentes

Los materiales poliméricos Orgánicos son ampliamente utilizados como capas en una variedad de mercados y de aplicaciones, mejorar sobre todo las propiedades, el aspecto y el funcionamiento superficiales. Estas aplicaciones se están sofisticando, y debido a la naturaleza multivariante de capas, sus dimensiones disminuidas producen a menudo capas de polímeros que tienen diversas propiedades. Además, la naturaleza viscoelástica de la mayoría de los polímeros lleva a una dependencia marcada del tiempo y de la temperatura del funcionamiento.

Las capas Químicamente reticuladas se han desarrollado como los materiales de la opción y se emplean común como clearcoats automotores para proteger contra influencias ambientales y para proporcionar a la rayadura, a la resistencia de marcha y de la viruta, así como a la resistencia del corrosión y solvente, mientras que todavía mantienen un altos lustre y aspecto. La adición de los añadidos químicos para mejorar photostability, acoplada con reacciones de reticulación variables, a menudo heterogeneidades de la producción que colocan de tamaño de nanómetros a los micrones que son más susceptibles a la degradación. El Microscopio Atómico de la Fuerza (AFM) ha demostrado ser inestimable para no sólo los sistemas poliméricos de la proyección de imagen, pero para las acciones recíprocas de sondeo de la punta/de la muestra, (como en proyección de imagen de la fase) para las propiedades mecánicas (elasticidad, endurecimiento, etc) y químicas de la correspondencia.

Análisis Térmico Nano

La antena térmica nano-TA de los Instrumentos de Anasys agrega una nueva y valiosa capacidad del análisis térmico espacial resuelto al AFM. Es determinado útil para las películas finas puesto que activa la medición de las temperaturas de transición (el fundir o cristal) en las manchas seleccionadas de la muestra que ayuda en la identificación y la caracterización de las fases.

La antena térmica Nano-TA es una técnica local del análisis térmico que combina las altas capacidades de la proyección de imagen de la resolución espacial de la microscopia atómica de la fuerza con la capacidad de obtener la comprensión del comportamiento térmico de materiales con una resolución espacial de sub-100nm. (un descubrimiento en la resolución espacial ~50x mejora que el estado plus ultra anterior, con las implicaciones profundas para los campos de Polímeros y de Productos Farmacéuticos). La punta convencional del AFM es reemplazada por una antena térmica especial de la antena nano-TA que tenga un calefactor miniatura embutido y controlada por el soporte físico y el software térmicos especialmente diseñados de la antena nano-TA. El AFM permite a una superficie ser visualizado en la resolución del nanoscale con sus modos rutinarios de la proyección de imagen, que permite que el utilizador seleccione las ubicaciones espaciales en las cuales investigar las propiedades térmicas de la superficie. El utilizador entonces obtiene esta información aplicando calor localmente vía la punta de la antena y midiendo la reacción termomecánica.

Ajuste Experimental

Los Experimentos fueron realizados usando una Dimensión 3000 AFM de Veeco equipada de un módulo térmico (AI) de la antena de los Instrumentos nano-TA de Anasys y la termal del nanoscale del AI sonda. La velocidad de calentamiento usada para este análisis era 2 ¢XC/s. Todas Las imágenes fueron registradas usando el modo que golpeaba ligeramente AFM. Los datos térmicos de la antena nano-TA presentados están de la desviación voladiza de la antena (mientras que en contacto con la superficie de la muestra) trazada contra temperatura de punta de la antena. Esta medición es análoga a la técnica establecida del análisis termomecánico (TMA). Las Acciones tales como fundir o transiciones de cristal que dan lugar al ablandamiento del material debajo de la punta, producen una desviación hacia abajo del voladizo. Para confirmar las puntas probadas del interés, las imágenes se registran rutinario después de realizar la rampa de la temperatura. Las antenas térmicas de la antena nano-TA usadas en este estudio son el tipo usado más típicamente para el modo de contacto, debido a esto que la frecuencia de la resonancia era ~20 kilociclos, mientras que la frecuencia resonante típica sería más alrededor 60 kilociclos. Las antenas eran todavía capaces de lograr imágenes de la altura y de la fase con la resolución espacial suficientemente alta de resolver las estructuras laminares del polímero. Las imágenes de la Altura muestran a menudo la presencia de montones del material asociados a los sangrados de márgenes. Este depósito es muy probablemente el material polimérico que cerco y solidifica alrededor de la punta después de realizar un análisis térmico local.

Dos tipos de capas fueron estudiados, (a) poliol de acrílico comercial reticulados con la resina del diisocianato, catalizados con el di-butílico-estaño-di-laurato (DBTDL) y curados 30 minutos en 60 C; y (b) resistió a capas de acrílico-poliuretano (AU). Las capas resistidas del AU consisten en el polímero estireno-de acrílico reticulado con diisocianato polimérico de 1, 6 hexamethylene y contener dos tipos TiO2 de las partículas, Degussa P25 (~ medio 20 nanómetro de la talla de partícula; photoactivity sin recubrimiento y alto) y R9 (~ medio 250 nanómetro de la talla de partícula; recubierto con Al2O3 (el 6%).

Resultados y Discusión

Una vista seccionada transversalmente de una capa automotor comercial típica (cuadro 1.) muestra la naturaleza compleja, multifuncional de estos sistemas de capa. Debido al hecho de que el clearcoat sea la primera línea de defensa contra influencias ambientales, superficie de comprensión, la substancia química próxima a la superficie y la promoción inmobiliaria mecánica en función de composición, al tiempo de vulcanización y a la exposición ambiental es fundamental a mejorar su funcionamiento. Además, la demanda creciente para los sistemas inferiores del VOC en automotor reacaba demandas de los lugares de la industria mayores para lograr la vulcanización rápida en la temperatura ambiente para reducir la inversión en el equipo de sequía y la época de la reparación.

Cuadro 1. visión Seccionada Transversalmente de la capa automotor típica.

Imágenes del Modo Que Golpean Ligeramente

La resolución de las imágenes del modo que golpean ligeramente producidas por la antena térmica de la antena nano-TA es comparable a las antenas no-térmicas regulares del AFM. La sensibilidad de la técnica térmica de la antena nano-TA fue investigada usando capas de acrílico-uretano. Las Capas que eran algunas semanas viejas fueron probadas por la antena térmica nano-TA para medir la reacción de la capa a una exploración térmica y determinar la morfología y la profundidad del sangrado de márgenes.

El Cuadro 2. Sangrado De Márgenes produjo por la antena térmica después de la medición del punto de reblandecimiento de una película de acrílico del clearcoat.

Prueba térmica de la antena nano-TA

Un topview (Higo 2.) de la capa de acrílico después de que la prueba térmica de la antena nano-TA muestre la formación de un sangrado de márgenes residual ~350 nanómetro profundamente. La profundidad medida del sangrado de márgenes proporciona a una apreciación de la profundidad del muestreo usando la antena térmica nano-TA y puede servir como base para la comparación de los puntos de reblandecimiento (Tg) de las mismas capas con mediciones a granel de la película por MDSC.

La dependencia de la temperatura de transición de cristal de tipos de la calefacción y de enfriamiento es bien sabido y mostrada para ser un efecto cinético que es debido a una dependencia de la temperatura de los tipos estructurales de la relajación. Esta dependencia de la temperatura también influencia la dimensión de una variable de la capacidad de calor (Cp) cerca del Tg. Particularmente, las mediciones experimentales mostraron el Tg para depender lineal con el logaritmo de la velocidad de calentamiento. Para probar la capacidad de la antena térmica nano-TA de medir una dependencia de la velocidad de calentamiento de la temperatura de ablandamiento usando antenas la termal, los experimentos conducto en las películas de acrílico del clearcoat (figura 3A). Los tres tipos de exploración probaron, (6, 10 y 120 C/min) por de la antena nano-TA la demostración térmica sin obstrucción un aumento en temperatura de ablandamiento con tipos heated crecientes y una dependencia logarítmica lineal del tipo (RSquare = 0,999), similar a ésa mostrada por la medición del bulto DSC (figura 3B).

Cuadro 3. Dependencia del punto de reblandecimiento de la película (del acrílico) de la velocidad de calentamiento de la punta (a). Particularmente, la temperatura del inicio del punto de reblandecimiento muestra una dependencia lineal del logaritmo de la velocidad de calentamiento de la punta (b).

Curado de Tipos

Exploramos después el uso de la antena térmica nano-TA para medir tipos de la vulcanización de la temperatura de ablandamiento. El punto de reblandecimiento de una capa es una buena dimensión de densidad de la reticulación. La formación de redes tridimensionales debido a las reacciones químicas se valida extensamente como medio para mejorar las propiedades de una capa. Se ha mostrado en una variedad de sistemas del clearcoat (el clearcoat flotante 1K y clearcoat disolvente-soportado 2K, y 1K y 2K) curados en diversas horas, en diversas temperaturas, visualizó todo un aumento en el Tg, con el aumento de densidad de la reticulación. Además, las propiedades mecánicas de capas también dependen del fragmento de reticulaciones según lo expresado por el lazo inverso entre el peso molecular entre las reticulaciones (MX) y el módulo de tensión del almacenamiento (E).

Para probar el utilitario de la antena térmica nano-TA para los tipos de medición de la vulcanización, los puntos de reblandecimiento de las capas de acrílico comerciales curadas por 30 minutos en 60 C, fueron probados a partir 2 horas a 72 horas, después de que la vulcanización de 30 Min. en 60 C. Figure 4 muestre un aumento gradual en temperatura de ablandamiento medida con tiempo. Un gráfico del tiempo de vulcanización comparado con temperatura de ablandamiento muestra un lazo lineal durante los tiempos de vulcanización medidos.

El paso de progresión siguiente era utilizar la antena térmica nano-TA para seguir el aumento en temperatura de ablandamiento (y reticular densidad) en función de tiempo, de 24 y 48 horas, porque de capas de acrílico selectas después de que su minuto 30 cueza en 60 C (cuadro 1). La Reunión de las desviaciones estándar medidas de los puntos de reblandecimiento, hechas en triplicado, a partir de ocho sistemas de capa proporcionó a una buena dimensión de la reproductibilidad térmica de la prueba de la antena nano-TA. La desviación estándar calculada para éstos capa es 0,26 C (Vector 1A).

Cuadro 4. Efecto del tiempo de curado en la temperatura ambiente del clearcoat de acrílico sobre la temperatura de ablandamiento (a). La temperatura de ablandamiento visualiza un lazo lineal durante los tiempos de vulcanización (b) medido.

Aumento del Cuadro 1. en temperaturas de ablandamiento en función 24 y 48 de las horas del tiempo, para las capas de acrílico selectas (a). Gráfico de la Barra (b)

Capas Foto-Degradadas del De acrílico-Poliuretano (AU)

Estas capas fueron expuestas, 20 semanas y 41 semanas a UV-A y a UV-B. ¿Consisten en el polímero estireno-de acrílico reticulado con diisocianato de 1, 6 hexamethylene y contienen dos tipos TiO2 de las partículas, Degussa P25 (talla de partícula media? 20 nanómetro; sin recubrimiento y altamente photoactive) y R9 (~ medio 250 nanómetro de la talla de partícula; recubierto con Al2O3 (el 6%). El Cuadro 5 resume y compara las temperaturas de ablandamiento medidas por LTA (figura 5A), en comparación con el Tg de MDSC, (figura 5B).

El Cuadro 5. Comparación de las temperaturas de ablandamiento medidas para (0, 20 y 41 semanas) sin obstrucción y TiO2 Ultravioleta-expuestos llenó (P25 y R9) capas de acrílico del uretano usando el análisis térmico nano (a) y MDSC (b). La morfología Superficial también era analizada explorando microscopia electrónica.

Estos datos muestran sin obstrucción la sensibilidad superficial de la antena térmica nano-TA, con respecto a la medición del Tg del bulto usando MDSC. Una considerable base de conocimientos ha acumulado en la sensibilidad superficial de los procesos de la fotodegradación [12]. Es por lo tanto capas no asombrosamente que la antena térmica nano-TA proporciona a una dimensión sensible de efectos photooxidative de la exposición ULTRAVIOLETA para sin obstrucción y TiO2-filled y visualiza un aumento en la temperatura de ablandamiento (es decir densidad de la reticulación) con tiempos de exposición ULTRAVIOLETA crecientes. En comparación, la caracterización de MDSC de la película fina a granel no es capaz de distinguir los efectos superficiales del bulto y no puede detectar la substancia química superficial y la degradación estructural sufridas por las capas como se muestra por los micrográfos de electrón de la exploración a partir de 41 capas expuestas semana (figura 5C.).

Conclusiones

el análisis Nano-Térmico conjuntamente con el AFM demuestra ser una herramienta muy valiosa para el estudio de capas y de superficies poliméricas generalmente puesto que permite no sólo proyección de imagen pero también la identificación y la caracterización directas de los diversos dominios en la superficie de la muestra en una escala 100nm. Los datos demuestran sin obstrucción que la antena térmica nano-TA es más sensible a los efectos superficiales que MDSC que es una dimensión de la muestra hecha un promedio o la propiedad a granel y por lo tanto no puede detectar la substancia química superficial y la degradación estructural sufridas por las capas

Acuses De Recibo

El autor expresa su gratitud a la DRS. Aaron Forster y Stephanie Watson (NIST) para las discusiones y la fuente valiosas de resistido, capas de acrílico-poliuretano. Él también agradece el Dr. Deepanjan Bhattacharya y a Sr. Chip Williams por la fuente de clearcoats de acrílico.

Fuente: Instrumentos de Anasys

Para más información sobre esta fuente visite por favor los Instrumentos de Anasys

Date Added: Feb 18, 2008 | Updated: Jun 11, 2013

Last Update: 13. June 2013 18:27

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