Análise Térmica de Nanoscale de Revestimentos do Automóvel Usando a Ponta De Prova nano-TA Térmica dos Instrumentos de Anasys

Assuntos Cobertos

Fundo
Análise Térmica Nano
Instalação Experimental
Resultados e Discussão
Imagens de Batida do Modo
Teste térmico da ponta de prova nano-TA
Curando Taxas
Revestimentos Foto-Degradados do Acrílico-Poliuretano (AU)
Conclusões
Reconhecimentos

Fundo

Os materiais poliméricos Orgânicos são amplamente utilizados como revestimentos em uma variedade de mercados e aplicações, melhorar primeiramente as propriedades, a aparência e o desempenho de superfície. Estas aplicações estão tornando-se mais sofisticadas, e devido à natureza múltipla dos revestimentos, suas dimensões diminuídas produzem frequentemente camadas de polímeros que têm propriedades diferentes. Além, a natureza viscoelastic da maioria de polímeros conduz a uma dependência marcada do tempo e da temperatura no desempenho.

Os revestimentos Quimicamente ligados evoluíram como os materiais da escolha e são empregados geralmente como clearcoats automotivos para proteger contra influências ambientais e para fornecer o risco, a resistência de março e de microplaqueta, assim como a resistência do corrosão e a solvente, ao ainda manter um de alto brilho e uma aparência. A adição de aditivos químicos para melhorar o photostability, acoplada com reacções ligando variáveis, frequentemente heterogeneidade do produto que variam em tamanho dos nanômetros aos mícrons que é mais suscetível à degradação. O Microscópio Atômico da Força (AFM) provou ser inestimável para não somente sistemas poliméricos da imagem lactente, mas para interacções de sondagem da ponta/amostra, (como na imagem lactente da fase) para propriedades mecânicas (elasticidade, dureza, etc.) e químicas do traço.

Análise Térmica Nano

A ponta de prova nano-TA térmica dos Instrumentos de Anasys adiciona uma capacidade nova e valiosa da análise térmica espacial resolvida ao AFM. É particularmente útil para filmes finos desde que permite a medida de temperaturas de transição (derretimento ou vidro) em pontos selecionados da amostra que ajuda na identificação e na caracterização das fases.

A ponta de prova Nano-TA térmica é uma técnica local da análise térmica que combine as capacidades altas da imagem lactente da definição espacial da microscopia atômica da força com a capacidade para obter a compreensão do comportamento térmico dos materiais com uma definição espacial de sub-100nm. (uma descoberta na definição espacial ~50x melhora do que o último modelo precedente, com implicações profundas para os campos dos Polímeros e dos Fármacos). A ponta convencional do AFM é substituída por uma ponta de prova térmica especial da ponta de prova nano-TA que tenha um calefator diminuto encaixado e controlada pelo hardware e pelo software térmicos especialmente projetados da ponta de prova nano-TA. O AFM permite uma superfície de ser visualizado na definição do nanoscale com seus modos rotineiros da imagem lactente, que permite que o usuário seleccione os lugar espaciais em que para investigar as propriedades térmicas da superfície. O usuário obtem então esta informação aplicando o calor localmente através da ponta da ponta de prova e medindo a resposta termomecânica.

Instalação Experimental

As Experiências foram executadas usando uma Dimensão 3000 AFM de Veeco equipada com um módulo térmico (AI) da ponta de prova dos Instrumentos nano-TA de Anasys e o thermal do nanoscale do AI sonda. A taxa de aquecimento usada para esta análise era 2 ¢XC/s. Todas As imagens foram gravadas usando o modo de batida AFM. Os dados térmicos da ponta de prova nano-TA apresentados são da deflexão do modilhão da ponta de prova (enquanto em contacto com a superfície da amostra) traçada contra a temperatura de ponta da ponta de prova. Esta medida é análoga à técnica bem conhecida da análise termomecânica (TMA). Os Eventos tais como o derretimento ou as transições de vidro que conduzem ao amaciamento do material abaixo da ponta, produzem uma deflexão descendente do modilhão. A fim confirmar os pontos testados do interesse, as imagens são gravadas rotineiramente após ter executado a rampa da temperatura. As pontas de prova térmicas da ponta de prova nano-TA usadas neste estudo são o tipo usado mais tipicamente para o modo de contacto, devido a este que a freqüência da ressonância era ~20 quilohertz, quando a freqüência ressonante típica seria mais ao redor 60 quilohertz. As pontas de prova eram ainda capazes de conseguir imagens da altura e da fase com definição espacial suficientemente alta resolver estruturas lamelosas do polímero. As imagens da Altura mostram frequentemente a presença de montes do material associados com os recortes. Este depósito é muito provavelmente o material polimérico que recolhe e solidifica em torno da ponta após ter executado uma análise térmica local.

Dois tipos de revestimentos foram estudados, (a) polyol acrílico comercial ligados com resina do diisocyanate, catalisados com di-butílico-estanho-di-laurato (DBTDL) e curados 30 minutos em 60 C; e (b) resistiu a revestimentos do acrílico-poliuretano (AU). Os revestimentos resistidos do AU consistem no polímero estireno-acrílico ligado com diisocyanate polimérico de 1, 6 hexamethylene e contenção de dois tipos TiO2 das partículas, Degussa P25 (~ médio 20 nanômetro do tamanho de partícula; photoactivity sem revestimento e alto) e R9 (~ médio 250 nanômetro do tamanho de partícula; revestido com o Al2O3 (6%).

Resultados e Discussão

Uma vista de secção transversal de um revestimento automotivo comercial típico (figura 1.) mostra a natureza complexa, multi-funcional destes sistemas de revestimento. Devido ao facto de que o clearcoat é a primeira linha de defesa contra influências ambientais, a superfície compreensiva, o produto químico da próximo-superfície e a promoção imobiliária mecânica em função da composição, ao tempo de cura e à exposição ambiental é fundamental a melhorar seu desempenho. Além Disso, o aumento da procura para baixos sistemas do VOC em automotivo refinish procuras dos lugares da indústria maiores para alcançar a cura rápida na temperatura ambiental a fim reduzir o investimento em equipamento de secagem e a época do reparo.

Figura 1. vista De Secção Transversal do revestimento automotivo típico.

Imagens de Batida do Modo

A definição das imagens de batida do modo produzidas pela ponta de prova térmica da ponta de prova nano-TA é comparável às pontas de prova não-térmicas regulares do AFM. A sensibilidade da técnica térmica da ponta de prova nano-TA foi investigada usando revestimentos do acrílico-uretano. Os Revestimentos que eram algumas semanas velhas foram testados pela ponta de prova nano-TA térmica a fim medir a resposta do revestimento a uma varredura térmica e determinar a morfologia e a profundidade do recorte.

A Figura 2. Recorte produziu pela ponta de prova térmica após a medida do ponto de amaciamento de um filme acrílico do clearcoat.

Teste térmico da ponta de prova nano-TA

Um topview (Figo 2.) do revestimento acrílico depois que o teste térmico da ponta de prova nano-TA mostra a formação de um recorte residual ~350 nanômetro profundamente. A profundidade medida do recorte fornece uma avaliação da profundidade da amostra usando a ponta de prova nano-TA térmica e pode servir como base para a comparação dos pontos de amaciamento (Tg) dos mesmos revestimentos com medidas maiorias do filme por MDSC.

A dependência da temperatura de transição de vidro no aquecimento e em velocidades de arrefecimento é conhecida e mostrada para ser um efeito cinético que seja devido a uma dependência da temperatura de taxas estruturais do abrandamento. Esta dependência da temperatura igualmente influencia a forma da capacidade de calor (Cp) perto do Tg. Em particular, as medidas experimentais mostraram o Tg para depender linear com o logarítmo da taxa de aquecimento. A fim testar a capacidade da ponta de prova nano-TA térmica para medir uma dependência da taxa de aquecimento da temperatura de amaciamento usando pontas de prova do thermal, as experiências foram conduzidas em filmes acrílicos do clearcoat (figura 3A). As três taxas de varredura testaram, (6, 10 e 120 C/min) da ponta de prova nano-TA pela mostra térmica claramente um aumento na temperatura de amaciamento com taxas calorosos aumentadas e uma dependência logarítmica linear da taxa (RSquare = 0,999), similar àquela mostrada pela medida do volume DSC (figura 3B).

Figura 3. Dependência do ponto de amaciamento do filme (do acrílico) na taxa de aquecimento (a) da ponta. Em particular, a temperatura do início do ponto de amaciamento mostra uma dependência linear no logarítmo da taxa de aquecimento (b) da ponta.

Curando Taxas

Nós exploramos em seguida o uso da ponta de prova nano-TA térmica para medir taxas da cura da temperatura de amaciamento. O ponto de amaciamento de um revestimento é uma boa medida da densidade da ligação transversal. A formação de redes tridimensionais devido às reacções químicas é aceitada extensamente como meio de melhorar as propriedades de um revestimento. Mostrou-se em uma variedade de sistemas do clearcoat (clearcoat 1K e clearcoat solvente-carregado 2K, e 1K e 2K aquática) curados em horas diferentes, em temperaturas diferentes, indicou toda um aumento no Tg, com densidade crescente da ligação transversal. Além, as propriedades mecânicas dos revestimentos igualmente dependem da extensão das ligações transversais como expressado pelo relacionamento inverso entre o peso molecular entre as ligações transversais (MX) e o módulo elástico do armazenamento (E).

A fim testar o serviço público da ponta de prova nano-TA térmica para taxas de medição da cura, os pontos de amaciamento dos revestimentos acrílicos comerciais curados por 30 minutos em 60 C, estiveram testados 2 horas a 72 horas, depois que a cura de 30 Min. em 60 C. Figura 4 mostra um aumento gradual na temperatura de amaciamento medida com tempo. Um lote do tempo de cura contra a temperatura de amaciamento mostra um relacionamento linear sobre os tempos de cura medidos.

O passo seguinte era usar a ponta de prova nano-TA térmica para seguir o aumento na temperatura de amaciamento (e para ligar a densidade) em função do tempo, das 24 e 48 horas, porque dos revestimentos acrílicos seletos depois que seu minuto 30 coze em 60 C (tabela 1). A Associação dos desvios padrão medidos de pontos de amaciamento, feitos a em três exemplares, de oito sistemas de revestimento forneceu uma boa medida da reprodutibilidade térmica do teste da ponta de prova nano-TA. O desvio padrão calculado para estes revestimento é 0,26 C (Tabela 1A).

Figura 4. Efeito do tempo de cura na temperatura ambiental do clearcoat acrílico na temperatura de amaciamento (a). A temperatura de amaciamento indica um relacionamento linear sobre os tempos de cura (b) medido.

Aumento da Tabela 1. em temperaturas de amaciamento em função 24 e 48 das horas do tempo, para os revestimentos acrílicos seletos (a). Lote da Barra (b)

Revestimentos Foto-Degradados do Acrílico-Poliuretano (AU)

Estes revestimentos foram expor, 20 semanas e 41 semanas a UV-A e a UV-B. Consistem no polímero estireno-acrílico ligado com diisocyanate de 1, 6 hexamethylene e contêm dois tipos TiO2 das partículas, Degussa P25 (tamanho de partícula médio? 20 nanômetro; sem revestimento e altamente photoactive) e R9 (~ médio 250 nanômetro do tamanho de partícula; revestido com o Al2O3 (6%). Figura 5 resume e compara as temperaturas de amaciamento medidas por MAIS LEVE QUE O AR (figura 5A), em comparação com o Tg de MDSC, (figura 5B).

A Figura 5. Comparação das temperaturas de amaciamento medidas para (0, 20 e 41 wk) claro e TiO2 Uv-expor encheu (P25 e R9) revestimentos acrílicos do uretano usando a análise térmica nano (a) e o MDSC (b). A morfologia De Superfície foi analisada igualmente fazendo a varredura a microscopia de elétron.

Estes dados mostram claramente a sensibilidade de superfície da ponta de prova nano-TA térmica, em relação à medida do Tg do volume usando MDSC. Um corpo de conhecimento considerável acumulou na sensibilidade de superfície dos processos da fotodegradação [12]. É conseqüentemente revestimentos de nao surpreendentes que a ponta de prova nano-TA térmica fornece uma medida sensível de efeitos photooxidative da exposição UV para claro e TiO2-filled e indica um aumento na temperatura de amaciamento (isto é densidade da ligação transversal) com tempos de exposição UV aumentados. Em comparação, a caracterização de MDSC do filme fino maioria não é capaz de diferenciar os efeitos de superfície do volume e não pode detectar o produto químico de superfície e a degradação estrutural sofridos por revestimentos como mostrado pelas micrografia de elétron da exploração de 41 revestimentos expor semana (figura 5C.).

Conclusões

a análise Nano-Térmica em combinação com o AFM prova ser uma ferramenta muito valiosa para o estudo de revestimentos poliméricos e surge geralmente, desde que permite não somente a imagem lactente mas igualmente a identificação e a caracterização directas dos domínios diferentes na superfície da amostra em uma escala 100nm. Os dados demonstram claramente que a ponta de prova nano-TA térmica é mais sensível aos efeitos de superfície do que MDSC que é uma medida da amostra calculada a média ou a propriedade de maioria e daqui não podem detectar o produto químico de superfície e a degradação estrutural sofridos por revestimentos

Reconhecimentos

O autor expressa sua gratitude ao Afastamento Cilindro/rolo. Aaron Forster e Stephanie Watson (NIST) para discussões e a fonte valiosas do resistido, revestimentos do acrílico-poliuretano. Igualmente agradece ao Dr. Deepanjan Bhattacharya e ao Sr. Microplaqueta Williams para a fonte de clearcoats acrílicos.

Source: Instrumentos de Anasys

Para obter mais informações sobre desta fonte visite por favor Instrumentos de Anasys

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

Last Update: 13. June 2013 18:20

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