對使用納諾 TA 熱量探測的汽車塗層的 Nanoscale 熱分析從 Anasys 儀器

包括的事宜

背景
納諾熱分析
實驗設置
結果和論述
開發的模式圖像
納諾 TA 熱量探測測試
治療費率
照片降低的丙烯酸酯聚氨酯 (澳大利亞) 塗層
結論
鳴謝

背景

有機聚合物材料是用途廣泛作為在各種各樣的市場和應用的塗層,主要改進表面屬性、外觀和性能。 這些應用變得複雜,并且由於塗層的多維分佈的本質,他們減少的維數經常生產有的聚合物層不同的屬性。 另外,多數聚合物的黏彈性本質導致對性能的明顯時間和溫度依賴性。

化工被交互相聯的塗層演變作為選擇材料和通常使用作為汽車 clearcoats 防止受到環境影響和提供臨時、 3月和籌碼阻力,以及腐蝕和耐溶劑性,當仍然維護高光澤度和外觀時。 改進 photostability 的化工附加的添加,加上可變的交互相聯的回應,經常在大小上範圍從毫微米的產物非均勻性到是易受降低的微米。 基本強制顯微鏡 (AFM)證明無價的為不僅想像聚合物系統,但是為探通的技巧/範例交往, (在階段想像) 映射機械 (彈性、堅硬等等) 和化工屬性的。

納諾熱分析

Anasys 儀器的納諾 TA 熱量探測添加空間被解決的熱分析的一個新和重要的功能到 AFM。 為薄膜是特別有用的,因為它啟用轉變溫度的評定 (熔化或玻璃) 在幫助在階段的確定和描述特性的這個範例的所選的地點。

納諾 TA 熱量探測是結合基本強制顯微學的高空間分辨率想像功能以這個能力獲得對材料熱量工作情況的瞭解與一個空間分辨率的子100nm 的一個局部熱分析技術。 (在空間分辨率 ~50x 的突破比早先科技目前進步水平改善,與聚合物和配藥的域的深刻涵義)。 常規 AFM 技巧被有一臺嵌入微型加熱器的特殊納諾 TA 熱量探測探測替換和是由特殊地被設計的納諾 TA 熱量探測硬件和軟件控制的。 AFM 使表面形象化在 nanoscale 解決方法在其定期想像模式下,允許這個用戶選擇空間的地點調查表面的熱量屬性。 這個用戶通過適用熱局部通過探測技巧和評定這種熱機的回應然後得到此信息。

實驗設置

實驗執行使用 Veeco 維數 3000 AFM 裝備 Anasys 儀器 (AI)納諾 TA 熱量探測模塊,并且 AI nanoscale 上升暖流探查。 用於此分析的加熱速率是 2 个 ¢XC/s。 使用開發的模式 AFM,所有圖像被記錄了。 存在的納諾 TA 熱量探測數據是探測懸臂式偏折 (與範例表面聯繫) 被密謀探測技巧溫度。 此評定是類似於熱機的分析源遠流長的技術 (TMA)。 導致變柔和在這個技巧下的材料的活動例如熔化或玻璃轉移,導致懸臂的向下偏折。 為了確認測試點利益,圖像在執行溫度舷梯以後定期地被記錄。 用於此研究的納諾 TA 熱量探測探測是用於聯繫模式更加典型的這個類型,由於共鳴頻率是 ~20 kHz 的此,而典型的諧振頻率是更多大約 60 kHz。 探測能够達到高度和階段圖像以充分地高空間分辨率解決聚合物層狀結構。 高度圖像經常顯示材料土墩出現與凹進相關。 此定金很可能是在這個技巧附近收集并且變硬在執行一個局部熱分析以後的聚合物材料。

被學習了, (a) 商業丙烯酸酯的多羥基化合物交互相聯與二異氰酸鹽樹脂,摧化與二丁基錫二月桂酸酯和被治療的塗層的 (DBTDL)二種類型在 60 C 的 30 分鐘; 并且 (b) 風化了丙烯酸酯聚氨酯 (澳大利亞) 塗層。 被風化的澳大利亞塗層包括苯乙烯丙烯酸酯的聚合物交互相聯與聚合物 1, 6 hexamethylene 二異氰酸鹽和包含 TiO2 微粒, Degussa P25 (平均顆粒大小 ~ 20 毫微米的二種類型; 未上漆和高 photoactivity) 和 R9 (平均顆粒大小 ~ 250 毫微米; 塗用 Al2O3 (6%)。

結果和論述

典型的商業汽車塗層 (圖 1.) 的一張橫截視圖顯示這些塗層系統的複雜,多功能本質。 由於這樣的事實作為構成功能, clearcoat 是第一個防禦範圍對環境影響、瞭解的表面、接近表面的化學製品和機械性能發展的,治癒時間和環境風險對改進他們的性能是根本的。 此外,對低 VOC 系統的增長的需要在汽車重漆對獲得快速治療的行業安排極大的要求在周圍溫度為了減少在乾燥設備的投資和維修服務的時期。

圖 1. 橫截視圖典型的汽車塗層。

開發的模式圖像

納諾 TA 熱量探測探測導致的開發的模式圖像的解決方法與正常非熱能的 AFM 探測是可比較的。 使用丙烯酸酯氨基甲酸脂塗層,納諾 TA 熱量探測技術的區分調查。 是年紀的幾周的塗層由納諾 TA 熱量探測測試為了評定對熱量掃描的塗層的回應和確定凹進形態學和深度。

圖 2. 凹進由熱量探測生產了在一部丙烯酸酯的 clearcoat 影片的軟化點的評定以後。

納諾 TA 熱量探測測試

topview (圖 2.) 丙烯酸酯的塗層,在納諾 TA 熱量探測測試顯示殘餘的凹進 ~350 毫微米的形成深深後。 被評定的凹進深度提供抽樣深度的估計使用納諾 TA 熱量探測,并且可能根據比較軟化點服務 (Tg) 從與批量影片評定的同樣塗層由 MDSC。

玻璃轉化溫度的依賴性對熱化和冷卻速度是著名和顯示是歸結於結構上的放鬆費率溫度依賴性的一個運動作用。 此溫度依賴性在 Tg 附近也影響熱容量的 (Cp)形狀。 特別是,實驗評定顯示 Tg 線性地取決於與加熱速率的對數。 為了測試納諾 TA 熱量探測的能力評定軟化溫度加熱速率依賴性使用上升暖流探測,試驗在丙烯酸酯的 clearcoat 影片 (圖 3A) 做。 三種掃瞄速率由納諾 TA 熱量清楚探測顯示測試了, (6 个, 10 个和 120 个 C/min) 在軟化溫度的一個增量與增加的激昂的費率和線性對數費率依賴性 (RSquare = 0.999),類似於批量項目貨簽 DSC 評定顯示的那 (圖 3B)。

圖 3. (丙烯酸酯) 影片軟化點依賴性對技巧加熱速率 (a)。 特別是,軟化點起始溫度顯示對技巧加熱速率 (b) 的對數的線性依賴性。

治療費率

我們其次測試對納諾 TA 評定的治療費率熱量探測的使用從軟化溫度。 塗層的軟化點是交鍵密度一個好評定。 三維網絡的形成由於化學反應廣泛被接受作為改進塗層的屬性的方法。 在各種各樣的 clearcoat 系統顯示了 (1K 和 2K 溶劑出生的 clearcoat 和 1K 和 2K 水運 clearcoat) 隨著交鍵密度的增加,被治療在不同的時刻,在不同的溫度,所有顯示了在 Tg 的一個增量。 另外,塗層機械性能也取決於交鍵的區域如表示由分子量之間的倒數關係在交鍵 (Mx) 和拉伸存貯模數 (E) 之間。

在 60 C. Figure 4 的 30 Min. 治療顯示在被評定的軟化溫度的一個逐漸增量與時間後,為了為評定的治療費率測試納諾 TA 熱量探測的實用程序,在 30 分鐘治療的軟化點商業丙烯酸酯的塗層在 60 C,被測試從 2 hrs 到 72 hrs。 治癒時間劇情與軟化溫度顯示一個線性關係在被評定的治癒時間期間。

下一個步驟將使用納諾 TA 熱量探測按照在軟化溫度的增量 (和交互相聯密度) 作為時間、 24 和 48 hrs,為了精選的丙烯酸酯的塗層功能,在他們的 30 分鐘烘烤在 60 C 後 (表 1)。 合併軟化點的被評定的標準偏差,做在一式三份,由八個塗層系統提供了納諾 TA 熱量探測測試增殖率的一個好評定。 這些的被計算的標準偏差塗層是 0.26 C (表 1A)。

圖 4. 治癒時間作用在周圍溫度的丙烯酸酯的 clearcoat 對軟化溫度 (a)。 這個軟化溫度顯示一個線性關係在治癒時間被評定的 (b) 期間。

在軟化溫度的表 1. 增量作為時間, 24 和 48 hrs 功能,精選的丙烯酸酯的塗層的 (a)。 棒劇情 (b)

照片降低的丙烯酸酯聚氨酯 (澳大利亞) 塗層

這些塗層顯示了, 20 個星期和 41 個星期在 UV-A 和 UV-B。 他們包括苯乙烯丙烯酸酯的聚合物交互相聯與 1, 6 hexamethylene 二異氰酸鹽并且包含 TiO2 微粒, Degussa P25 (平均顆粒大小的二種類型? 20 毫微米; 未上漆和高度 photoactive) 和 R9 (平均顆粒大小 ~ 250 毫微米; 塗用 Al2O3 (6%)。 圖 5 總結并且比較 LTA 評定的軟化溫度 (圖 5A),與從 MDSC 的 Tg 比較, (圖 5B)。

圖 5. 為紫外顯示的 (0, 20 和 41 星期) 清楚和 TiO2 評定的軟化溫度比較裝載了 (P25 和 R9) 使用納諾熱分析 (a) 和 MDSC (b),丙烯酸酯的氨基甲酸脂塗層。 瀏覽電子顯微鏡術也分析表面形態學。

使用 MDSC,這些數據明顯地顯示納諾 TA 熱量探測表面區分,與批量項目貨簽 Tg 評定比較。 嚴重的大量的知識在表面區分累計了光降解進程 [12]。 因此不驚奇納諾 TA 熱量探測為清楚和 TiO2 充滿的塗層提供紫外風險的 photooxidative 作用一個敏感評定并且顯示在軟化溫度 (即交鍵密度) 的一個增量與增加的紫外曝光時間。 比較起來,批量薄膜的 MDSC 描述特性不能够區分從批量項目貨簽的表面效應,并且不可能檢測塗層和結構上的降低遭受的表面化學製品如顯示由掃描電子顯微照片 41 星期顯示的塗層 (圖 5C。)。

結論

因為它允許不僅想像,而且不同的域的直接確定和描述特性在 100nm 等級的範例表面與 AFM 的組合納諾熱量分析一般來說,被證明是為聚合物塗層和表面的研究的一個非常重要的工具。 數據明顯地顯示出,納諾 TA 熱量探測對表面效應比是平均為的是敏感這個範例評定的 MDSC 或厚層性質並且不可能檢測塗層和結構上的降低遭受的表面化學製品

鳴謝

這個作者表示他的謝意對 Drs。 重要的討論和用品的亞倫 Forster 和斯蒂芬妮華森 (NIST) 風化,丙烯酸酯聚氨酯塗層。 他也感謝 Deepanjan Bhattacharya 博士和 Chip 威廉斯先生丙烯酸酯的 clearcoats 用品。

來源: Anasys 儀器

關於此來源的更多信息请請參觀 Anasys 儀器

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

Last Update: 13. June 2013 17:38

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