Analisi Termica di Nanoscale dei Rivestimenti dell'Automobile Facendo Uso della Sonda Termica di nano-TUM dagli Strumenti di Anasys

Argomenti Coperti

Sfondo
Analisi Termica Nana
Impostazione Sperimentale
Risultati e Discussione
Immagini di Spillatura di Modo
Prova termica della sonda di nano-TUM
Maturazione delle Tariffe
Rivestimenti Foto-Degradati del Acrilico-Poliuretano (AU)
Conclusioni
Ringraziamenti

Sfondo

I materiali polimerici Organici sono ampiamente usati come rivestimenti in vari servizi ed applicazioni, soprattutto migliorare i beni, l'aspetto e la prestazione di superficie. Queste applicazioni stanno essendo sofisticate e dovuto la natura a più variabili dei rivestimenti, le loro dimensioni in diminuzione producono spesso i livelli di polimeri che hanno beni differenti. Inoltre, la natura viscoelastica della maggior parte dei polimeri piombo ad una profonda dipendenza della temperatura e di tempo dalla prestazione.

I rivestimenti Chimicamente uniti con legami atomici incrociati si sono evoluti come i materiali della scelta e comunemente sono impiegati come clearcoats automobilistici per proteggere dalle influenze ambientali e per fornire il graffio, la resistenza del chip e di marzo come pure la resistenza solvente e di corrosione, mentre ancora mantengono un'alti lucentezza ed aspetto. L'aggiunta degli additivi chimici per migliorare photostability, accoppiata con le reazioni variabili di reticolazione, spesso eterogeneità dei prodotti che variano nella dimensione dai nanometri ai micron che sono più suscettibili di degradazione. Il Microscopio Atomico della Forza (AFM) è risultato essere inestimabile per non solo i sistemi polimerici della rappresentazione, ma per le interazioni di sondaggio campione/del suggerimento, (come nella rappresentazione di fase) per i beni meccanici (elasticità e durezza, ecc) e chimici di mappatura.

Analisi Termica Nana

La sonda termica di nano-TUM dagli Strumenti di Anasys aggiunge una nuova e capacità apprezzata dell'analisi termica nello spazio risolta al AFM. È particolarmente utile per le pellicole sottili poiché permette alla misura delle temperature di transizione (fondersi o vetro) sui punti determinati del campione che aiuta nell'identificazione e nella caratterizzazione delle fasi.

La sonda termica di Nano-TUM è una tecnica locale dell'analisi termica che combina le alte capacità della rappresentazione di risoluzione spaziale di microscopia atomica della forza con la capacità di ottenere la comprensione del comportamento termico dei materiali con una risoluzione spaziale di sub-100nm. (un'innovazione nella risoluzione spaziale ~50x migliora che lo stato dell'arte precedente, con le implicazioni profonde per i campi dei Polimeri e dei Prodotti Farmaceutici). Il suggerimento convenzionale del AFM è sostituito da una sonda termica della sonda di nano-TUM speciali che ha un radiatore miniatura incassato ed è gestito dal hardware e dal software termici specialmente progettati della sonda di nano-TUM. Il AFM permette ad una superficie di essere visualizzato a risoluzione del nanoscale con i sui modi sistematici della rappresentazione, che permette che l'utente selezioni le distribuzioni nello spazio a cui studiare i beni termici della superficie. L'utente poi ottiene questi informazioni applicando il calore localmente via il suggerimento della sonda e misurando la risposta termomeccanica.

Impostazione Sperimentale

Gli Esperimenti sono stati eseguiti facendo uso di una Dimensione 3000 AFM di Veeco fornita di modulo termico (AI) della sonda di nano-TUM degli Strumenti di Anasys ed il termale del nanoscale di AI sonda. La tariffa di riscaldamento usata per questa analisi era 2 ¢XC/s. Tutte Le immagini sono state registrate facendo uso del modo di spillatura AFM. I dati termici della sonda di nano-TUM presentati sono della deformazione a mensola della sonda (mentre in contatto con la superficie del campione) tracciata contro la temperatura di suggerimento della sonda. Questa misura è analoga alla tecnica affermata di analisi termomeccanica (TMA). Gli Eventi quali la fusione o le transizioni di vetro che provocano ammorbidire del materiale sotto il suggerimento, producono una deformazione discendente della trave a mensola. Per confermare i punti provati di interesse, le immagini sono registrate ordinariamente dopo l'esecuzione della rampa della temperatura. Le sonde termiche della sonda di nano-TUM utilizzate in questo studio sono il tipo usato più tipico per il modo di contatto, dovuto questo che la frequenza di risonanza era di ~20 chilocicli, mentre la frequenza di risonanza tipica sarebbe più intorno 60 chilocicli. Le sonde erano ancora capaci di raggiungimento delle immagini di fase e di altezza con risoluzione spaziale sufficiente alta risolvere le strutture lamellari del polimero. Le immagini di Altezza mostrano spesso la presenza di monticelli di materiale connessi con le dentellature. Questo deposito è molto probabilmente materiale polimerico che si raccoglie e solidifica intorno al suggerimento dopo l'esecuzione dell'analisi termica locale.

Due tipi di rivestimenti sono stati studiati, (A) poliolo acrilico commerciale uniti con legami atomici incrociati con la resina del diisocianato, catalizzati con il Di-butilico-stagno-Di-laurato (DBTDL) e fatti maturare 30 minuti a 60 C; e (B) rivestimenti stagionati del acrilico-poliuretano (AU). I rivestimenti stagionati dell'AU consistono del polimero stirolo-acrilico unito con legami atomici incrociati con un diisocianato polimerico di 1, 6 hexamethylene e contenere due tipi TiO2 di particelle, Degussa P25 (~ medio 20 nanometro di dimensione delle particelle; photoactivity non rivestito ed alto) e R9 (~ medio 250 nanometro di dimensione delle particelle; ricoperto di Al2O3 (6%).

Risultati e Discussione

Una visualizzazione a sezione trasversale di un rivestimento automobilistico commerciale tipico (figura 1.) mostra la natura complessa e multifunzionale di questi sistemi di rivestimento. Dato che il clearcoat è la prima linea di difesa contro le influenze ambientali, la superficie di comprensione, il prodotto chimico vicino alla superficie e l'incentivazione immobiliare meccanica in funzione di composizione, tempo di maturazione e l'esposizione ambientale è fondamentale a migliorare la loro prestazione. Ancora, la domanda aumentata dei sistemi bassi del COV in automobilistico refinish domande dei posti dell'industria le maggiori del raggiungimento della maturazione veloce alla temperatura ambiente per diminuire l'investimento in impianto di essiccazione ed il periodo della riparazione.

Figura 1. visualizzazione A Sezione Trasversale del rivestimento automobilistico tipico.

Immagini di Spillatura di Modo

La risoluzione delle immagini di spillatura del modo prodotte dalla sonda termica della sonda di nano-TUM è comparabile alle sonde regolari del AFM del non termale. La sensibilità della tecnica termica della sonda di nano-TUM è stata studiata facendo uso dei rivestimenti dell'acrilico-uretano. I Rivestimenti che erano alcune settimane vecchie sono stati provati dalla sonda termica di nano-TUM per misurare la risposta del rivestimento ad una scansione termica e determinare la morfologia e la profondità della dentellatura.

La Figura 2. Dentellatura ha prodotto dalla sonda termica dopo che misura di ammorbidire il punto di una pellicola acrilica del clearcoat.

Prova termica della sonda di nano-TUM

Un topview (Fico 2.) del rivestimento acrilico dopo che la prova termica della sonda di nano-TUM mostra la formazione di margine residuo ~350 nanometro in profondità. La profondità misurata della dentellatura fornisce una valutazione della profondità di campionatura facendo uso della sonda termica di nano-TUM e può servire da base per il confronto di ammorbidire i punti (Tg) dagli stessi rivestimenti con le misure della pellicola a metraggio da MDSC.

La dipendenza della temperatura di transizione vetrosa dalle tariffe di raffreddamento e del riscaldamento è ben nota ed indicata per essere un effetto cinetico che è dovuto una dipendenza della temperatura delle tariffe strutturali di rilassamento. Questa dipendenza della temperatura egualmente influenza la forma della capacità termica (Cp) vicino al Tg. In particolare, le misure sperimentali hanno mostrato il Tg per dipendere linearmente con il logaritmo della tariffa di riscaldamento. Per verificare la capacità della sonda termica di nano-TUM di misurare una dipendenza di tariffa di riscaldamento di ammorbidire la temperatura facendo uso delle sonde del termale, gli esperimenti sono stati eseguiti sulle pellicole acriliche del clearcoat (figura 3A). Le tre tariffe di scansione hanno provato, (6, 10 e 120 C/min) di nano-TUM della sonda dalla manifestazione termica chiaramente un aumento nell'ammorbidire la temperatura con le tariffe heated aumentate e una dipendenza logaritmica lineare di tariffa (RSquare = 0,999), simile a quella indicata tramite la misura alla rinfusa DSC (figura 3B).

Figura 3. Dipendenza della pellicola (dell'acrilico) che ammorbidisce punto dalla tariffa di riscaldamento del suggerimento (A). In particolare, ammorbidire la temperatura di inizio del punto mostra una dipendenza lineare dal logaritmo della tariffa di riscaldamento del suggerimento (B).

Maturazione delle Tariffe

Dopo abbiamo esplorato l'uso della sonda termica di nano-TUM per la misurazione delle tariffe della maturazione dall'ammorbidire la temperatura. Il punto ammorbidente di un rivestimento è una buona misura di densità del legame incrociato. La formazione di reti tridimensionali dovuto le reazioni chimiche è ampiamente accettata al fine del miglioramento dei beni di un rivestimento. È stato indicato su vari sistemi del clearcoat (clearcoat portato dall'acqua 1K e clearcoat solvente-sopportato 2K e 1K e 2K) fatti maturare ai tempi differenti, alle temperature differenti, interamente video un aumento in Tg, con l'aumento di densità del legame incrociato. Inoltre, i beni meccanici dei rivestimenti egualmente dipendono dalle dimensioni dei legami incrociati come espresso dalla relazione inversa fra peso molecolare fra i legami incrociati (MX) ed il modulo di tensione di archiviazione (E).

Per verificare l'utilità della sonda termica di nano-TUM a tariffe di misurazione della maturazione, ammorbidente i punti dei rivestimenti acrilici commerciali fatti maturare per 30 minuti a 60 C, è stato provato 2 ore - 72 ore, dopo che la maturazione di 30 Min. a 60 C. Figure 4 mostra un aumento graduale in misurato in ammorbidire la temperatura con tempo. Un tracciato di tempo di maturazione contro ammorbidire la temperatura mostra una relazione lineare durante i tempi di maturazione misurati.

Il punto seguente era di usare la sonda termica di nano-TUM per seguire l'aumento nell'ammorbidire la temperatura (ed unire con legami atomici incrociati densità) in funzione di tempo, di 24 e 48 ore, dato che dei rivestimenti acrilici selezionati dopo che il loro minuto 30 cuoce a 60 C (tabella 1). La Riunione delle deviazioni standard misurate di ammorbidire i punti, fatte in triplice copia, da otto sistemi di rivestimento ha fornito una buona misura della riproducibilità termica della prova della sonda di nano-TUM. La deviazione standard calcolata per questi rivestimento è 0,26 C (Tabella 1A).

Figura 4. Effetto di tempo di maturazione alla temperatura ambiente di clearcoat acrilico sull'ammorbidire temperatura (A). La temperatura ammorbidente video una relazione lineare durante i tempi di maturazione misurati (B).

Aumento della Tabella 1. nell'ammorbidire le temperature in funzione 24 e 48 delle ore di tempo, per i rivestimenti acrilici selezionati (A). Tracciato della Barra (B)

Rivestimenti Foto-Degradati del Acrilico-Poliuretano (AU)

Questi rivestimenti sono stati esposti, 20 settimane e 41 settimana a UV-A e a UV-B. Consistono del polimero stirolo-acrilico unito con legami atomici incrociati con un diisocianato di 1, 6 hexamethylene e contengono due tipi TiO2 di particelle, Degussa P25 (dimensione delle particelle media? 20 nanometro; non rivestito ed altamente fotoattivo) e R9 (~ medio 250 nanometro di dimensione delle particelle; ricoperto di Al2O3 (6%). Figura 5 riassume e confronta ammorbidire le temperature misurate da PIÙ LEGGERO DELL'ARIA (figura 5A), in confronto al Tg da MDSC, (figura 5B).

La Figura 5. Confronto di ammorbidire le temperature misurate per (0, 20 e 41 settimana) chiaro e TiO2 UV-esposti ha riempito (P25 e R9) i rivestimenti acrilici dell'uretano facendo uso dell'analisi termica nana (A) e di MDSC (B). La morfologia Di Superficie egualmente è stata analizzata scandendo la microscopia elettronica.

Questi dati mostrano chiaramente la sensibilità di superficie della sonda termica di nano-TUM, rispetto alla misura di Tg alla rinfusa facendo uso di MDSC. Un considerevole corpo di conoscenze si è accumulato sulla sensibilità di superficie dei trattamenti della fotodegradazione [12]. È quindi rivestimenti TiO2-filled e chiaro per dell'esposizione UV degli effetti photooxidative una misura sensibile fornisce la sonda termica di nano-TUM che non sorprendenti e video un aumento nell'ammorbidire la temperatura (cioè densità del legame incrociato) con i tempi di esposizione UV aumentati. In confronto, la caratterizzazione di MDSC della pellicola sottile in serie non è capace di differenziazione degli effetti di superficie da massa e non può individuare il prodotto chimico di superficie e la degradazione strutturale sofferti dai rivestimenti come indicata dai microscopi elettronici a scansione da 41 rivestimento esposto settimana (figura 5C.).

Conclusioni

l'analisi del Nano-Termale congiuntamente al AFM risulta generalmente essere uno strumento molto apprezzato per lo studio sui rivestimenti e sulle superfici polimerici poiché permette non solo la rappresentazione ma anche l'identificazione diretta e la caratterizzazione dei domini differenti alla superficie del campione su un disgaggio 100nm. I dati dimostrano chiaramente che la sonda termica di nano-TUM è più sensibile agli effetti di superficie che MDSC che è una misura del campione fatto la media o i beni in serie e quindi non può individuare il prodotto chimico di superficie e la degradazione strutturale sofferti dai rivestimenti

Ringraziamenti

L'autore esprime il suo ringraziamento a DRS. Aaron Forster e Stephanie Watson (NIST) per le discussioni e l'offerta apprezzate di stagionato, rivestimenti del acrilico-poliuretano. Egualmente ringrazia il Dott. Deepanjan Bhattacharya ed il Sig. Chip Williams per offerta dei clearcoats acrilici.

Sorgente: Strumenti di Anasys

Per ulteriori informazioni su questa sorgente visualizzi prego gli Strumenti di Anasys

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

Last Update: 13. June 2013 17:56

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