:: AZoNanotechnology Artikel
Besproken onderwerpen
Achtergrond
Nano Thermische Analyse
Experimentele opstelling
Resultaten en discussie
Tapping mode Images
nano-TA thermische sonde Testen
Uitharding Tarieven
Foto-aangetaste acryl-polyurethaan (AU) Coatings
Conclusies
Met dank aan
Achtergrond
Organische polymere materialen worden veel gebruikt als coating in een verscheidenheid van eindmarkten en toepassingen, vooral om oppervlakte-eigenschappen, het uiterlijk en de prestaties te verbeteren. Deze toepassingen worden steeds meer verfijnd, en als gevolg van de multivariate aard van coatings, hun verminderde afmetingen produceren vaak lagen van polymeren met verschillende eigenschappen. Daarnaast is de visco-elastische karakter van de meeste polymeren leidt tot een duidelijke tijd en temperatuur afhankelijkheid van de prestaties.
Chemisch verknoopt coatings hebben zich ontwikkeld als de materialen van keuze en worden meestal gebruikt als auto-clearcoats om te beschermen tegen milieu-invloeden en zorgen voor krassen, mar en chip weerstand, maar ook corrosie en weerstand tegen oplosmiddelen, met behoud van een hoge glans en uitstraling. De toevoeging van chemische additieven die fotostabiliteit te verbeteren, in combinatie met variabele vernettingsreacties, produceren vaak heterogeniteiten variërend in grootte van nanometers tot micron die meer gevoelig voor degradatie. De Atomic Force Microscope (AFM) heeft bewezen van onschatbare waarde voor niet alleen de beeldvorming polymere systemen, maar voor het sonderen tip / monster interacties, (zoals in fase imaging) voor het in kaart brengen van mechanische (elasticiteit, hardheid, etc) en chemische eigenschappen.
Nano Thermische Analyse
De nano-TA thermische sonde van Anasys Instruments voegt een nieuwe en waardevolle mogelijkheden van ruimtelijk besloten thermische analyse aan de AFM. Het is vooral handig voor dunne films, omdat zo de meting van de overgang temperaturen (smelten of glas) op geselecteerde plekken van het monster helpen bij de identificatie en karakterisering van de fasen.
Nano-TA thermische sonde is een lokale thermische analyse techniek die de hoge ruimtelijke resolutie imaging-mogelijkheden van atomic force microscopie combineert met de mogelijkheid om inzicht in het thermisch gedrag van materialen te verkrijgen met een ruimtelijke resolutie van sub-100nm. (Een doorbraak in de ruimtelijke resolutie ~ 50x beter dan de vorige stand van de techniek, met verregaande gevolgen voor het gebied van polymeren en Pharmaceuticals). De conventionele AFM tip wordt vervangen door een speciale nano-TA thermische sonde sonde die een embedded miniatuur kachel en wordt gecontroleerd door de speciaal ontworpen nano-TA thermische sonde hardware en software. De AFM kan een oppervlak gevisualiseerd worden op nanoschaal resolutie met zijn routine beeldvorming modes, waarmee de gebruiker het selecteren van de ruimtelijke locaties om de thermische eigenschappen van het oppervlak te onderzoeken. De gebruiker krijgt dan zal deze informatie door het toepassen van warmte lokaal via de sonde en het meten van de thermomechanische reactie.
Experimentele opstelling
Experimenten werden uitgevoerd met behulp van een Veeco Dimension 3000 AFM uitgerust met een Anasys Instruments ( AI ) nano-TA thermische sonde module en AI nanoschaal thermische sondes. De verwarming wordt gehanteerd voor deze analyse was 2 ¢ XC / s. Alle beelden werden opgenomen met behulp van tapping mode AFM. De nano-TA thermische sonde gepresenteerde gegevens van de sonde cantilever doorbuiging (terwijl het in contact komen met het monster oppervlak) uitgezet tegen de sonde temperatuur. Deze meting is analoog aan de gevestigde techniek van thermo-mechanische analyse (TMA). Gebeurtenissen zoals het smelten of glas overgangen die resulteren in de verzachting van het materiaal onder de tip, produceren een neerwaartse afbuiging van de cantilever. Met het oog op de geteste punten van belang te bevestigen, worden de beelden opgenomen routinematig na het uitvoeren van de temperatuur helling. De nano-TA thermische sonde probes gebruikt in deze studie zijn van het type meer typisch gebruikt voor contact-modus, als gevolg van deze de resonantiefrequentie was ~ 20 kHz, terwijl de typische resonantiefrequentie zouden meer rond de 60 kHz zijn. De sondes waren nog steeds in staat om het bereiken van de hoogte en fase beelden met een voldoende hoge ruimtelijke resolutie om polymere lamellaire structuren op te lossen. Hoogte beelden tonen vaak de aanwezigheid van bergen materiaal dat verband houdt met inkepingen. Deze waarborg wordt hoogstwaarschijnlijk polymeer materiaal dat verzamelt en stolt rond de tip na het uitvoeren van een lokale thermische analyse.
Er zijn twee soorten coatings werden bestudeerd, (A) commerciële acryl polyol verknoopt met diisocyanaat hars, gekatalyseerd met di-butyl-tin-di-methyllauraat (DBTDL) en uitgehard 30 minuten bij 60 C, en (B) verweerde acrylaat-polyurethaan (AU ) coatings. De verweerde AU coatings bestaan uit styreen-acrylaat polymeer verknoopt met polymeer 1, 6 hexamethyleendiisocyanaat en met twee soorten van TiO2 deeltjes, Degussa P25 (gemiddelde deeltjesgrootte ~ 20 nm, ongestreken en hoge photoactivity) en R9 (gemiddelde deeltjesgrootte ~ 250 nm ; bedekt met Al2O3 (6%).
Resultaten en discussie
Een dwarsdoorsnede van een typische commerciële automotive coating (figuur 1.) Geeft de complexe, multi-functionele karakter van deze coating systemen. Te wijten aan het feit dat de blanke lak is de eerste lijn van verdediging tegen milieu-invloeden, het begrijpen van het oppervlak, dicht aan de oppervlakte chemische en mechanische eigenschappen ontwikkeling als een functie van de samenstelling, uithardingstijd en blootstelling van het milieu is essentieel voor het verbeteren van hun prestaties. Bovendien is de toegenomen vraag naar lage VOS-systemen in autoreparatie-industrie legt meer eisen voor het bereiken van een snelle uitharden bij omgevingstemperatuur in om de investering in het drogen van apparatuur te beperken en de tijd van de reparatie.
.jpg)
Figuur 1. Dwarsdoorsnede van typische auto-coating.
Tapping mode Images
De resolutie van de tapping mode beelden die door de nano-TA thermische sonde sonde is vergelijkbaar met reguliere niet-thermische AFM probes. De gevoeligheid van de nano-TA thermische sonde techniek werd onderzocht met behulp van acryl-urethaan coatings. Coatings die waren een paar weken oud werden getest door de nano-TA thermische sonde , om de coating reactie op een thermische scan meten en bepalen de inspringing morfologie en diepte.
.jpg)
Figuur 2. Inspringen geproduceerd door de thermische sonde na de meting van het verwekingspunt van een acryl blanke lak film.
Foto-aangetaste acryl-polyurethaan (AU) Coatings
Deze coatings werden blootgesteld, 20 weken en 41 weken tegen UV-A en UV-B. Ze bestaan uit styreen-acrylaat polymeer verknoopt met 1, 6 hexamethyleendiisocyanaat en bevat twee soorten TiO2 deeltjes, Degussa P25 (gemiddelde deeltjesgrootte 20 nm;? Ongestreken en zeer fotoactieve) en R9 (gemiddelde deeltjesgrootte ~ 250 nm; bekleed met Al2O3 (6%). Figuur 5 geeft een overzicht en vergelijkt verzachten temperaturen gemeten door LTA (figuur 5A), in vergelijking met de Tg van MDSC, (figuur 5B).
.jpg)
Figuur 5. Vergelijking van verzachtende temperaturen gemeten voor UV-blootstelling (0, 20 en 41 wk) duidelijk en TiO2 gevuld (P25 en R9) acrylaat urethaan coatings met behulp van nano thermische analyse (A) en MDSC (B). Oppervlaktemorfologie werd ook geanalyseerd door scanning elektronenmicroscopie.
Deze gegevens tonen duidelijk aan de oppervlakte gevoeligheid van nano-TA thermische sonde , in vergelijking met de bulk Tg meting met behulp van MDSC. Een aanzienlijke hoeveelheid kennis heeft zich op het oppervlak gevoeligheid van de afbraak processen [12]. Het is dan ook niet verwonderlijk dat de nano-TA thermische sonde een gevoelige maat voor photooxidative effecten van UV-belichting voor heldere en TiO2 gevulde coatings levert en geeft een verhoging van de verwekingstemperatuur (dat wil zeggen vernettingsdichtheid) met een verhoogde blootstelling aan UV tijden. Ter vergelijking: de MDSC karakterisering van de bulk dunne film is niet in staat onderscheid oppervlakte-effecten van bulk en niet kan vinden het oppervlak chemische en structurele degradatie geleden door coatings zoals blijkt uit de scanning electronenmicroscoop van 41 week blootgesteld coatings (figuur 5C.).
Conclusies
Nano-thermische analyse in combinatie met de AFM blijkt een zeer waardevol instrument voor de studie van de polymere coatings en oppervlakken in het algemeen, aangezien het niet alleen de beeldvorming, maar ook de directe identificatie en karakterisering van de verschillende domeinen van het monster oppervlak op een 100nm schaal . De gegevens blijkt duidelijk dat nano-TA thermische sonde is gevoeliger voor oppervlakte-effecten dan MDSC die een maat is van de steekproef gemiddeld of bulk-eigendom en dus niet kan vinden het oppervlak chemische en structurele degradatie geleden door coatings
Met dank aan
De auteur spreekt zijn dank aan Drs. Aaron Forster en Stephanie Watson (NIST) voor de waardevolle discussies en levering van verweerde, acryl-polyurethaan coatings. Hij bedankt ook Dr Deepanjan Bhattacharya en de heer Chip Williams voor de levering van acryl blanke lakken.
Bron: Anasys Instrumenten
Voor meer informatie over deze bron kunt u terecht op Anasys Instruments