Analyse Thermique de Nanoscale des Couches d'Automobile Utilisant la Sonde Thermique de nano-VENTRES des Instruments d'Anasys

Sujets Couverts

Mouvement Propre
Analyse Thermique Nanoe
Installation Expérimentale
Résultats et Discussion
Images de Filetage de Mode
Test thermique de sonde de nano-VENTRES
Corriger des Tarifs
Couches Photo-Dégradées d'Acrylique-Polyuréthane (AU)
Conclusions
Remerciements

Mouvement Propre

Les matériaux polymères Organiques sont très utilisés comme couches dans un grand choix de marchés et d'applications, pour améliorer principalement les propriétés, l'aspect et la performance extérieurs. Ces applications deviennent plus sophistiquées, et en raison de la nature multivariée des couches, leurs cotes diminuées produisent souvent des couches de polymères ayant différentes propriétés. De plus, la nature visco-élastique de la plupart des polymères mène à une dépendance marquée de temps et de température à l'égard la performance.

Les couches Chimiquement réticulées ont évolué comme matériaux de choix et sont généralement utilisées en tant que clearcoats automobiles pour se protéger contre des influences environnementales et pour fournir le brouillon, la résistance de mars et de puce, ainsi que la résistance de corrosion et dissolvante, tout en mettant à jour toujours un à haute brillance et un aspect. L'ajout des additifs chimiques pour améliorer le photostability, ajouté aux réactions de réticulation variables, souvent hétérogénéités de produit s'échelonnant dans la taille des nanomètres aux microns qui sont plus susceptibles de la dégradation. Le Microscope Atomique de Force (AFM) a prouvé à être inestimable pour non seulement les systèmes polymères de représentation, mais pour des interactions de sondage d'extrémité/échantillon, (comme dans la représentation de phase) pour les propriétés mécaniques (élasticité et dureté, etc.) et chimiques de cartographie.

Analyse Thermique Nanoe

La sonde thermique de nano-VENTRES des Instruments d'Anasys ajoute une capacité neuve et précieuse d'analyse thermique dans l'espace résolue à l'AFM. Il est particulièrement utile pour des films minces puisqu'elle active la mesure des températures de passage (fonte ou glace) sur les endroits déterminés de l'échantillon facilitant l'identification et la caractérisation des phases.

La sonde thermique de Nano-VENTRES est une technique locale d'analyse thermique qui combine les capacités élevées de représentation de résolution spatiale de la microscopie atomique de force avec la capacité d'obtenir la compréhension du comportement thermique des matériaux avec une résolution spatiale de sub-100nm. (une découverte dans la résolution spatiale ~50x améliorent que la situation actuelle précédente, avec des implications profondes pour les zones des Polymères et des Pharmaceutiques). L'extrémité conventionnelle d'AFM est remplacée par une sonde thermique de sonde de nano-VENTRES spéciaux qui a une chaufferette miniature encastrée et est réglée par le matériel et le logiciel thermiques particulièrement conçus de sonde de nano-VENTRES. L'AFM permet à une surface d'être conçue à la définition de nanoscale avec ses modes courants de représentation, qui permet à l'utilisateur de sélecter les emplacements spatiaux auxquels pour vérifier les propriétés thermiques de la surface. L'utilisateur obtient alors cette information en appliquant la chaleur localement par l'intermédiaire de l'extrémité de sonde et en mesurant la réaction thermomécanique.

Installation Expérimentale

Des Expériences ont été effectuées utilisant une Cote 3000 AFM de Veeco équipée d'un module thermique (AI) de sonde de nano-VENTRES d'Instruments d'Anasys et la thermique de nanoscale d'AI sonde. Les tarifs de chauffage utilisés pour cette analyse étaient 2 ¢XC/s. Toutes Les images ont été enregistrées utilisant le mode de filetage AFM. Les données thermiques de sonde de nano-VENTRES présentées sont du fléchissement en porte-à-faux de sonde (tandis qu'en contact avec la surface témoin) tracé contre la température d'extrémité de sonde. Cette mesure est analogue à la technique bien établie de l'analyse thermomécanique (TMA). Les Événements tels que la fonte ou les passages en verre qui ont comme conséquence le ramollissement du matériau sous l'extrémité, produisent un fléchissement de haut en bas de l'encorbellement. Afin de confirmer les points d'intérêt testés, des images sont par habitude enregistrées après avoir exécuté le rampe de la température. Les sondes thermiques de sonde de nano-VENTRES utilisées dans cette étude sont le type plus typique utilisé pour le mode de contact, en raison de ceci que la fréquence de résonance était de ~20 kilohertz, alors que la fréquence de résonance typique serait plus environ 60 kilohertz. Les sondes étaient encore capables de réaliser des images de hauteur et de phase avec la résolution spatiale suffisamment élevée de résoudre les structures lamellaires de polymère. Les images de Hauteur affichent souvent la présence des monticules d'associé matériel avec des indentations. Ce dépôt est très probablement un matériau polymère qui se rassemble et solidifie autour de l'extrémité après avoir exécuté une analyse thermique locale.

Deux types de couches ont été étudiés, (a) polyol à la résine acrylique commercial réticulés avec de la résine de diisocyanate, catalysés avec du Di-butylique-étain-Di-laurate (DBTDL) et corrigés 30 mn à 60 C ; et (b) a survécu à des couches d'acrylique-polyuréthane (AU). Les couches superficielles par les agents d'AU se composent du polymère de styrène-acrylique réticulé avec du diisocyanate polymère de 1, 6 hexamethylene et contenir deux types TiO2 de particules, Degussa P25 (~ moyen 20 nanomètre de dimension particulaire ; photoactivity non-enduit et élevé) et R9 (~ moyen 250 nanomètre de dimension particulaire ; enduit d'Al2O3 (6%).

Résultats et Discussion

Une vue transversale d'une couche automobile commerciale typique (le schéma 1.) affiche la nature complexe et multifonction de ces procédés de protection. Étant Donné que le clearcoat est la première ligne de défense contre les influences environnementales, la surface de compréhension, le produit chimique proche de la surface et l'aménagement immobilier mécanique en fonction de la composition, le temps de remède et l'exposition à un environnement est principal à améliorer leur performance. En Outre, l'exigence accrue des systèmes faibles de COV dans automobile tournent des demandes plus grandes de places d'industrie d'atteindre le remède rapide à la température ambiante afin de réduire l'investissement dans le matériel de séchage et la période du réglage.

Le Schéma 1. vue Transversale de la couche automobile particulière.

Images de Filetage de Mode

La définition des images de filetage de mode produites par la sonde thermique de sonde de nano-VENTRES est comparable aux sondes régulières d'AFM de non-thermique. La sensibilité de la technique thermique de sonde de nano-VENTRES a été vérifiée utilisant des couches d'acrylique-uréthane. Des Couches qui étaient quelques semaines ont été testées par la sonde thermique de nano-VENTRES afin de mesurer la réaction de la couche à une échographie thermique et déterminer la morphologie et la profondeur d'indentation.

Le Schéma 2. Indentation a produit par la sonde thermique après mesure de point de ramollissement d'un film à la résine acrylique de clearcoat.

Test thermique de sonde de nano-VENTRES

Un topview (Figue 2.) de la couche à la résine acrylique après que le test thermique de sonde de nano-VENTRES affiche la formation d'une indentation résiduelle ~350 nanomètre profondément. La profondeur mesurée d'indentation fournit une évaluation de la profondeur d'échantillonnage utilisant la sonde thermique de nano-VENTRES et peut servir comme base de la comparaison des points de ramollissement (Tg) des mêmes couches avec des mesures en vrac de film par MDSC.

La dépendance de la température de passage en verre à l'égard des tarifs de chauffage et de refroidissement est réputée et affichée pour être un effet cinétique qui est dû à une dépendance de la température des tarifs structurels de relaxation. Cette dépendance de la température influence également la forme de la capacité de chaleur (Cp) près du Tg. En particulier, les mesures expérimentales ont affiché que le Tg dépendait linéairement avec le logarithme des tarifs de chauffage. Afin de tester la capacité de la sonde thermique de nano-VENTRES de mesurer une dépendance de tarifs de chauffage de la température de ramollissement utilisant des sondes de thermique, des expériences ont été entreprises sur les films à la résine acrylique de clearcoat (chiffre 3A). Les trois tarifs d'échographie ont testé, (6, 10 et 120 C/min) par de nano-VENTRES de sonde exposition thermique de manière dégagée une augmentation de la température de ramollissement avec des tarifs passionnés accrus et une dépendance logarithmique linéaire de tarifs (RSquare = 0,999), assimilée à cela affichée par la mesure en vrac DSC (chiffre 3B).

Le Schéma 3. la Dépendance du point de ramollissement (à la résine acrylique) de film à l'égard les tarifs de chauffage d'extrémité (a). En particulier, la température de début de point de ramollissement affiche une dépendance linéaire à l'égard le logarithme des tarifs de chauffage d'extrémité (b).

Corriger des Tarifs

Nous avons ensuite exploré l'utilisation de la sonde thermique de nano-VENTRES pour mesurer des tarifs de remède de la température de ramollissement. Le point du ramollissement d'une couche est une bonne mesure de densité de réticulation. La formation des réseaux en trois dimensions dus aux réactions chimiques est largement reçue afin d'améliorer les propriétés d'une couche. On lui a affiché sur un grand choix de systèmes de clearcoat (clearcoat 1K et clearcoat solvant-défrayé par 2K, et 1K et 2K porté par les eaux) corrigés à différentes heures, aux différentes températures, a tout affiché une augmentation de Tg, avec l'augmentation de la densité de réticulation. De plus, les propriétés mécaniques des couches dépendent également de l'ampleur des réticulations comme exprimé par la relation inverse entre le poids moléculaire entre les réticulations (MX) et le module de tension de mémoire (E).

Afin de tester l'installation de la sonde thermique de nano-VENTRES pour des tarifs de mesure de remède, des points de ramollissement des couches à la résine acrylique commerciales corrigées pendant 30 mn à 60 C, ont été testés de pendant 2 heures à pendant 72 heures, après que le remède de 30 Mn à 60 C. Figure 4 affiche une augmentation graduelle de la température de ramollissement mesurée avec du temps. Un traçage de temps de remède contre la température de ramollissement affiche une relation linéaire au cours des temps de remède mesurés.

La prochaine phase était d'employer la sonde thermique de nano-VENTRES pour suivre l'augmentation de la température de ramollissement (et réticuler la densité) en fonction du temps, de 24 et 48 heures, parce que des couches à la résine acrylique choisies après que leur mn 30 fassent cuire au four à 60 C (tableau 1). La Mise En Commun des écarts-type mesurés des points de ramollissement, effectués en triple, à partir de huit procédés de protection a fourni une bonne mesure de la reproductibilité thermique de test de sonde de nano-VENTRES. L'écart-type prévu pour ces derniers couche est 0,26 C (Tableau 1A).

Le Schéma 4. Effet du temps corrigeant à la température ambiante du clearcoat à la résine acrylique sur la température de ramollissement (a). La température de ramollissement affiche une relation linéaire au cours des temps de remède (b) mesuré.

Augmentation du Tableau 1. des températures de ramollissement en fonction 24 et 48 des heures de temps, pour les couches à la résine acrylique choisies (a). Traçage de Barre (b)

Couches Photo-Dégradées d'Acrylique-Polyuréthane (AU)

Ces couches ont été exposées, 20 semaines et 41 semaines à UV-A et à UV-B. Elles se composent du polymère de styrène-acrylique réticulé avec du diisocyanate de 1, 6 hexamethylene et contiennent deux types TiO2 de particules, Degussa P25 (dimension particulaire moyenne ? 20 nanomètre ; non-enduit et hautement sensible à la lumière) et R9 (~ moyen 250 nanomètre de dimension particulaire ; enduit d'Al2O3 (6%). Le Schéma 5 récapitule et compare les températures de ramollissement mesurées par PLUS LÉGER QUE L'AIR (chiffre 5A), en comparaison du Tg de MDSC, (chiffre 5B).

Le Schéma 5. Comparaison des températures de ramollissement mesurées (0, 20 et 41 sem.) dégagé et TiO2 UV-exposés a rempli (P25 et R9) couches à la résine acrylique d'uréthane utilisant l'analyse thermique nanoe (a) et le MDSC (b). La morphologie Extérieure s'est également analysée en balayant la microscopie électronique.

Ces données affichent de manière dégagée la sensibilité extérieure de la sonde thermique de nano-VENTRES, par rapport à la mesure de Tg en vrac utilisant MDSC. Un ensemble de connaissances considérable a accumulé sur la sensibilité extérieure des procédés de photodégradation [12]. C'est pour cette raison les couches non étonnantes que la sonde thermique de nano-VENTRES fournit une mesure sensible d'effets photooxidative de l'Exposition aux UV pour dégagé et de TiO2-filled et affiche une augmentation de la température de ramollissement (c.-à-d. densité de réticulation) avec des temps accrus d'Exposition aux UV. En comparaison, la caractérisation de MDSC du film mince en vrac n'est pas capable de différencier les effets extérieurs du volume et ne peut pas trouver le produit chimique extérieur et la dégradation structurelle soufferts par des couches comme affichée par les micrographes électroniques de lecture de 41 couches exposées par semaine (chiffre 5C.).

Conclusions

l'analyse de Nano-Thermique en combination avec l'AFM s'avère être très un outil de valeur pour l'étude des couches et des surfaces polymères généralement puisqu'elle permet non seulement la représentation mais également l'identification et la caractérisation directes des différents domaines sur la surface témoin sur une échelle 100nm. Les données expliquent de manière dégagée que la sonde thermique de nano-VENTRES est plus sensible aux effets extérieurs que MDSC qui est une mesure de l'échantillon ramené à une moyenne ou propriété en vrac et par conséquent ne peut pas trouver le produit chimique extérieur et la dégradation structurelle soufferts par des couches

Remerciements

L'auteur exprime sa gratitude au Jeu Rouleau-tambour. Aaron Forster et Stephanie Watson (NIST) pour les discussions et l'alimentation précieuses en superficiel par les agents, couches d'acrylique-polyuréthane. Il remercie également M. Deepanjan Bhattacharya et M. Chip Williams de l'alimentation en clearcoats à la résine acrylique.

Source : Instruments d'Anasys

Pour plus d'informations sur cette source visitez s'il vous plaît les Instruments d'Anasys

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

Last Update: 13. June 2013 17:47

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