Caracterización por el Análisis Térmico Nano de la Morfología de la Mezcla de las Películas Finas de Nanoscale Usando la Antena Térmica nano-TA de los Instrumentos de Anasys

Temas Revestidos

Introducción
Ajuste Experimental
Resultados y Discusión
Mezclas Semi Cristalinas
Mezclas Amorfas
Conclusiones

Introducción

En la década pasada ha habido un substancial y un interés cada vez mayor en películas “finas” del polímero. Estas películas (típicamente debajo del espesor de 200 nanómetro) muestran las propiedades notables, a veces totalmente diferentes de ésas en bulto. La Comprensión de cómo la morfología de las películas finas del polímero (mezcla) se desarrolla con tiempo o depende de métodos de la preparación es de gran importancia tecnológica. El AFM resulta ser la técnica adecuada para estudiar estas películas puesto que permite obtener diversas imágenes (e.g topográfico, fricción y fase) en una exploración. La antena térmica nano-TA de los Instrumentos de Anasys agrega una nueva y valiosa capacidad del análisis térmico espacial resuelto al AFM. Es determinado útil para las películas finas puesto que activa la medición de las temperaturas de transición (el fundir o cristal) en las manchas seleccionadas de la muestra que ayuda en la identificación y la caracterización de las fases.

La antena térmica Nano-TA es una técnica local del análisis térmico que combina las altas capacidades de la proyección de imagen de la resolución espacial de la microscopia atómica de la fuerza con la capacidad de obtener la comprensión del comportamiento térmico de materiales con una resolución espacial de sub-100nm. (un descubrimiento en la resolución espacial ~50x mejora que el estado plus ultra, con las implicaciones profundas para los campos de Polímeros y de Productos Farmacéuticos). La punta convencional del AFM es reemplazada por una antena térmica especial nano-TA que tenga un calefactor miniatura embutido y controlada por el soporte físico y el software térmicos especialmente diseñados de la antena nano-TA. El AFM permite a una superficie ser visualizado en la resolución del nanoscale con sus modos rutinarios de la proyección de imagen, que permite que el utilizador seleccione las ubicaciones espaciales en las cuales investigar las propiedades térmicas de la superficie. El utilizador entonces obtiene esta información aplicando calor localmente vía la punta de la antena y midiendo la reacción termomecánica.

Ajuste Experimental

Los resultados fueron obtenidos usando un Explorador AFM equipado de un calor de los Instrumentos de TA/de un escenario y de un Controlador Aéreo de Temperatura frescos de TP93 Linkham, y el módulo térmico de la antena nano-TA (que comprende el controlador aéreo, el software y antenas térmicas de alta resolución). Los datos térmicos de la antena nano-TA presentados están de la desviación voladiza de la antena (mientras que en contacto con la superficie de la muestra) trazada contra temperatura de punta de la antena. Esta medición es análoga a la técnica establecida del análisis termomecánico (TMA). Las Acciones tales como fundir o transiciones de cristal que dan lugar al ablandamiento del material debajo de la punta, producen una desviación hacia abajo del voladizo. Los experimentos de TMA fueron realizados en dos diversos ambientes. En el caso del PVME/PS mezcla, la temperatura de transición de cristal inferior del PVME nos forzó a trabajar en la temperatura reducida (- 30°C) bajo atmósfera del N2. En el caso de las mezclas de los PP trabajamos bajo el aire en la temperatura ambiente (30°C). La información Adicional sobre la técnica se puede obtener en los Instrumentos de Anasys.

Resultados y Discusión

Mezclas Semi Cristalinas

En el caso de mezclas isotácticas del Polipropileno de PP/syndiotactic (iPP/sPP) una Temperatura Crítica Superior de la Solución (UCST) pulsa comportamiento de la fase se predice con la separación de fase de dos líquidos que ocurre antes de la cristalización en altas mezclas en masa molares. La Figura 1a muestra un 25/75 iPP/mezcla de los sPP con una morfología semicristalina fibrilosa. La identificación de la morfología fase-separada por métodos tradicionales tales como Microscopia Óptica o TEM es muy difícil debido a una falta de contraste. Usando la antena térmica nano-TA, las fases pueden ser determinadas y ser caracterizadas explotando la diferencia en la temperatura que funde (135°C para el bulto sPP y 165°C para el bulto iPP).

Cuadro 1. iPP/imagen topográfica del modo de contacto de la mezcla de los sPP 25/75 antes de (a) y después (b) de la antena térmica de nano-TA (100 x µm 1002). La Imagen c es un zoom de 20 x 202 µm en la región analizada que muestra siete sangrados de márgenes locales del análisis térmico.

Las temperaturas de transición fueron medidas dentro y cerca de las fibrillas. Los sangrados de márgenes que resultan del análisis térmico se ven en la Figura 1b y 1c.

Los datos en el Cuadro 2 muestran la desviación de la antena y son el promedio de mediciones múltiples (de 5-10). Primero la extensión térmica de la muestra desvía la antena hacia arriba, seguido por la penetración de la punta de la antena en el polímero. Se toma la temperatura de transición mientras que la temperatura en la cual la antena comienza a hundirse en el material.

Cuadro 2. medición de antena térmica Nano-TA de un iPP/de la mezcla de los sPP 25/75, mostrando la diversa temperatura que funde para el iPP y los dominios de los sPP.

Nano-TA que los datos térmicos de la antena sobre las fibrillas (curva roja) tienen una transición muy cerca a abultar iPP mientras que el material circundante (curva verde) muestra una transición cerca del bulto sPP, así que el material de cada fase se determina sin obstrucción.

Mezclas Amorfas

(Vinylmethylether) las mezclas Polivinílicas de /polystyrene (PVME/PS) muestran un comportamiento Crítico Más Inferior de la Temperatura de la Solución (LCST). Esto significa que a partir de un sistema homogéneo, ellas fase-separadas cuando está calentada encima de cierta temperatura. En capas finas, la influencia del aire-polímero y de los interfaces del substrato-polímero aumenta con espesor del film de disminución y afecta al comportamiento de la fase-separación y a la morfología final. Este efecto del espesor del film sobre la temperatura de la separación de fase se observa para las películas con un espesor debajo de 1 µm y es dependiente del substrato. Las películas Finas fueron estudiadas en dos diversas químicas del substrato, la capa natural del óxido y una superficie grabada el ácido HF del silicio.

Cuadro 3. Influencia de la química superficial: Topográfico (a, c) y fricción (b, d) imágenes de una película separada fase de la mezcla de PVME/PS 80/20 en un Si (a, b) y SiOx (c, d) exploraciones del µm de la superficie (10 x2 10).

Los experimentos del AFM fueron realizados en 30°C en modo de contacto, detectando imágenes de la fuerza topográfica y lateral. En esta temperatura la fase rica del PICOSEGUNDO está en el estado vidrioso, que preserva la morfología formada en temperatura elevada.

Después de destemplar encima del LCST, se forman una fase rica de PVME y una fase rica del PICOSEGUNDO. El Cuadro 3 ilustra la importancia de la química superficial en la morfología.

Debido a su tensión de superficie más alta se asume que la fase rica del PICOSEGUNDO forma topetones y los agujeros ricos de los formularios de la fase de PVME. También, los agujeros tienen valores de la alta fricción, así corresponden probablemente con la fase más viscosa de los ricos de PVME. Estas conclusión indirectas fueron confirmadas por mediciones directas de la temperatura de transición de cristal de los diversos dominios con la antena térmica nano-TA (Cuadro 4). No sólo hicieron las mediciones de antena térmicas nano-TA nos dan dirigen lateral y en este caso también proporcionaron a la información de la profundidad, puesto que una penetración doble se observa en el caso de la fase de los ricos del PICOSEGUNDO. Esto demuestra que incluso la fase rica del PICOSEGUNDO es revestida por una capa delgada de PVME, que está de acuerdo con las mediciones de XPS en literatura. Es también digno de mención que PVME es la fase dispersa, aunque sea el componente de la mayoría, mientras que en cambio, la minoría rica del PICOSEGUNDO organiza está actuando como marco.

El Cuadro 4. medición de antena térmica Nano-TA de una película de la mezcla de PVME/PS 80/20 en una superficie de SiOx, mostrando resulta para el PICOSEGUNDO Rico y la fase de los ricos de PVME.

El Cuadro 5. sangrados de márgenes térmicos de la medición de antena Nano-TA en las diversas fases de una película de la mezcla de PVME/PS 80/20 en un HF trató la superficie del Si. Realizado en -30°C bajo exploraciones del µm de la atmósfera del N2 (10 x2 10).

El Cuadro 5 ilustra la resolución lateral del sistema térmico de la antena nano-TA. El radio medio de los siete iguales 100nm de los sangrados de márgenes. La talla de los sangrados de márgenes depende de la profundidad de penetración y de la dimensión de una variable de la punta del AFM.

Conclusiones

el análisis Nano-Térmico conjuntamente con el AFM demuestra ser una herramienta muy valiosa para el estudio de capas y de superficies poliméricas generalmente puesto que permite no sólo proyección de imagen pero también la identificación y la caracterización directas de los diversos dominios en la superficie de la muestra en una escala 100nm.

Fuente: Caracterización de la Morfología de la Mezcla de las Películas Finas del nanoscale
Autor: Nicolás-Alexander Gotzen Ph.D. y Profesor Guy Van Assche Ph.D
Para más información sobre esta fuente visite por favor los
Instrumentos de Anasys

Date Added: May 13, 2008 | Updated: Jun 11, 2013

Last Update: 13. June 2013 18:28

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