El Módulo del Análisis Térmico de Bruker (VITA) Activa el Análisis Térmico de Nanoscale de Polímeros

Temas Revestidos

Introducción
Análisis Térmico de Nanoscale
Mezclas del Polímero
Películas De Múltiples Capas
Capas
Conclusión

Introducción

El módulo del Análisis Térmico (VITA) activa el análisis térmico del nanoscale (nTA), una técnica nueva que permita la determinación de la temperatura de transición local en la superficie de un material con la resolución espacial del nanoscale. Proporcionando a la caracterización cuantitativa, el nTA puede ayudar a determinar los materiales y su separación de fase y distribución del componente (o agregación) en el nanoscale. La técnica utiliza una antena térmica especializada para calentar una región muy pequeña en la superficie de la muestra y localmente para medir sus propiedades térmicas, incluyendo las transiciones térmicas tales como puntos de fusión y transiciones del cristal. La antena térmica es similar en geometría y las características físicas a la microscopia atómica de la fuerza del silicio estándar (AFM) sondan, y activan así la generación de correspondencias de alta resolución de la topografía de la muestra usando modo de contacto y las técnicas de TappingMode™. La imagen del AFM se puede utilizar para apuntar ubicaciones del interés para los análisis térmicos, que se pueden entonces ejecutar en cuestión de segundos. De esta manera, el nTA casa la resolución del AFM con los datos inequívocos y cuantitativos del análisis térmico. Esta nota de aplicación describe la técnica y demuestra sus ventajas en varias aplicaciones.

Análisis Térmico de Nanoscale

Los métodos Térmicos, tales como calorimetría de exploración diferencial (DSC), el análisis termomecánico (TMA), y análisis mecánico dinámico (DMA), son técnicas establecidas para caracterizar la temperatura de transición de materiales. Sin Embargo, una limitación seria de métodos térmicos convencionales es que dan solamente una reacción muestra-hecha un promedio y no pueden proporcionar a la información en defectos localizados, ni pueden dar las propiedades térmicas de capas/de películas menos que algunos micrones en espesor. Una medición de DSC, por ejemplo, puede indicar la presencia de más de una fase, pero la técnica no puede dar generalmente ninguna información con respecto la talla o a la distribución de fases. Esto afecta determinado a los científicos que trabajan con mezclas del polímero (donde están cruciales las morfologías de la mezcla a determinar sus propiedades materiales), capas (donde las imperfecciones tales como formaciones del gel pueden afectar seriamente funcionamiento), películas de múltiples capas, y compuestos.

El AFM se ha utilizado rutinario para caracterizar la topografía de tales materiales, así como la distribución de sus componentes. En algunos tipos de muestras, el material, si está sabido, y su formulario puede ser resuelto de la topografía o de la variación de la propiedad mecánica reveladora en imágenes del AFM. Tradicionalmente, esto se ha logrado con varios modos del microscopio de la antena (SPM) de la exploración, tales como microscopia de la fuerza lateral (LFM), modulación de la fuerza, y proyección de imagen de fase de TappingMode. Más recientemente, la introducción de HarmoniX™ ha proveído de una combinación única de la proyección de imagen más de alta resolución, rápida, no destructiva proyección de imagen cuantitativa de la propiedad mecánica. HarmoniX es ideal para correlacionar variaciones del nanoscale en propiedades mecánicas. Siempre Que los componentes o los microphases exhiban diferencias importantes en propiedades mecánicas, estas técnicas pueden también proporcionar a una distribución inequívoca del componente y de la fase.

La ventaja del análisis térmico del nanoscale (nTA) es que puede proporcionar a una identificación material del nanoscale inequívoco incluso en ausencia de variaciones de la propiedad mecánica. Permite la determinación de las temperaturas de transición locales en la superficie de una muestra. Esto es lograda trayendo una antena especializada en contacto con la superficie de la muestra, calentando el extremo del voladizo, y midiendo su desviación usando la detección estándar de la desviación de haz del AFM. Durante la medición, la antena se celebra en una ubicación fija en la superficie de la muestra. Como el voladizo y, a su vez, la muestra caliente hacia arriba, la muestra se desplegará, empujando la antena hacia arriba y causando un aumento en la señal vertical de la desviación. En una temperatura de transición, el material ablandará típicamente tales que la fuerza aplicada por el voladizo puede deformar la superficie de la muestra, permitiendo que la antena penetre la muestra y disminuyendo la desviación del voladizo. El cambio en el declive de la señal de la desviación es una indicación de una transición térmica. Esta técnica es similar a la técnica a granel del análisis térmico, Análisis Termomecánico (TMA), pero puede determinar la temperatura de transición de una muestra localmente en el micro e incluso el nanoscale. La temperatura de transición según lo medido por el nTA correlaciona típicamente bien con la temperatura de transición medida por técnicas a granel, y se puede por lo tanto utilizar para determinar un material y para determinar si está en un formulario cristalino o amorfo.

Los voladizos especialmente diseñados del AFM usados para que tecnología incorporada del nTA MEMS cree un camino conductor a través de las patas de la porción voladiza y de alta resistencia cerca de su extremo. Esto hace el extremo del voladizo calentar hacia arriba cuando la corriente atraviesa el camino conductor. El voladizo sí mismo se hace del silicio y el camino es creado implantando el silicio con diversas concentraciones de dopante. El Cuadro 1 muestra una imagen de SEM de la antena térmica usada en nTA. La antena tiene un radio similar de la relación de aspecto y del extremo a las antenas grabadas el ácido estándar del silicio, permitiendo proyección de imagen de alta resolución en modo de contacto o TappingMode. Porque el material es silicio dopado, el voladizo puede soportar corrientes mucho más altas que los voladizos de película metálica, y por lo tanto logra temperaturas mucho más altas. La calefacción Controlable se puede realizar hasta las temperaturas tan altas como 350-400°C. La alta conductividad térmica del silicio activa los tipos de rampa muy des alta temperatura, alcanzando temperatura máxima en menos de 100 microsegundos, así teniendo en cuenta (alta producción y localizado) la calefacción rápida de la muestra. Una ventaja adicional de los voladizos es su capacidad de soportar el pulso que calienta alrededor de 1000°C, que se puede utilizar para limpiar cualquier contaminación que se adhiera al ápice de la antena.

Cuadro 1. Una imagen de SEM de la antena térmica microfabricated usada para las mediciones del nTA. La inserción es un zoom de la punta, que hace el contacto con la superficie de la muestra.

La gama de temperaturas accesible con el nTA sonda, y la necesidad de la calefacción localizada de la muestra (así limitando la conductividad térmica de la muestra) hace la técnica del nTA un emparejamiento ideal para los polímeros. Así, las aplicaciones del nTA se han centrado en los materiales poliméricos y farmacéuticos. Los Siguientes son varias aplicaciones en estas áreas que muestran que el utilitario del nTA a caracteriza más completo un material en el nano o la microescala. Además, el uso de las antenas heated en microscopia de la antena de la exploración está continuando desarrollar nuevas e interesantes técnicas y aplicaciones, de la litografía del nanoscale a la caracterización eléctrica temperatura-relacionada de muestras.

Mezclas del Polímero

Las mezclas del Polímero se utilizan en una amplia gama de industrias debido a ajustar de la opción componente apropiada directa posible de las propiedades materiales. El AFM se ha utilizado para ayudar a caracterizar la talla y la distribución del dominio en una amplia gama de muestras de la mezcla del polímero. Tal y como se muestra en de los cuadros 2 y 3, los dominios se pueden visualizar usando datos de la topografía y proyección de imagen de la fase. Esto constituye un punto de partida ideal para el nTA, que se puede entonces utilizar para ayudar a determinar qué dominio es cuál, así como si los dominios son completo fase segregada o se entremezclan. Puesto Que las muestras en estas figuras son mezclas inmiscibles, la pregunta primaria es qué material es cuál.

Cuadro 2. (a) imagen de los 4µm de los x 4µm TappingMode AFM de un poliestireno - mezcla inferior-densitypolyethylene (PS-LDPE). Los círculos rojos y azules destacan la ubicación utilizada para las mediciones de VITA en los dominios del PICOSEGUNDO y matriz del LDPE, respectivamente. (b) Mediciones del nTA de VITA que muestran reproductivo la temperatura de transición de cristal del PICOSEGUNDO dentro de los dominios y la transición que funde del LDPE en la matriz, así determinando la distribución componente inequívoco.

Cuadro 3. (a) imagen de los 4µm de los x 2µm TappingMode AFM de un óxido del polietileno - mezcla sindiotáctica del polipropileno (PEO-sPP) que muestra la topografía (dejada) y la fase (correcta). El círculo rojo destaca un pequeño dominio y el círculo azul destaca un dominio similar después de que el análisis térmico nano fuera realizado. (b) Medición del nTA de VITA realizada en la ubicación del círculo azul. La curva muestra una temperatura de transición característica de PEO, seguido por una transición del derretimiento de los sPP. Al Parecer, las pequeñas características visibles en las imágenes del AFM representan los dominios bajos de PEO que se atraviesan fácilmente, permitiendo que la antena detecte el pequeño dominio de PEO y siendo la base de la matriz de los sPP.

Todos los materiales en estas mezclas (poliestireno, inferior-densidad-polietileno, óxido del polietileno, polipropileno sindiotáctico) son relativamente derechos en comparación con el voladizo en la temperatura ambiente, así que la identificación material basada en la variación de la propiedad mecánica pueden probar no fiable. Las temperaturas de Transición, por otra parte, difieren grandemente entre los componentes, teniendo en cuenta la identificación componente directa usando nTA. La información Adicional sobre espesor del dominio se puede espigar en el caso del óxido del polietileno - la mezcla sindiotáctica del polipropileno (PEO-sPP), donde la penetración de la antena en pequeños dominios de PEO se considera para ser seguida rápidamente por la penetración en una matriz subyacente de los sPP.

Los datos del nTA presentados aquí (los cuadros 2 y 3) fueron generados usando velocidades de calentamiento de 5°C por segundo. Mientras Que importante más rápidamente que las velocidades de calentamiento empleadas típicamente para el análisis térmico a granel, esta alta tasa es típica para el nTA y activa la calefacción localizada y la alta producción. La determinación inequívoca de la distribución de la mezcla mostrada en el cuadro 2 era realizada dentro apenas de algunos minutos. La instrumentación permite el ajuste de la velocidad de calentamiento sobre una amplia gama a velocidades de calentamiento más lentas e importante más rápidas, como sea necesario para el experimento.

Películas De Múltiples Capas

Las películas De Múltiples Capas representan una opción del material estándar para la mayoría de las aplicaciones de empaquetado. Las diversas capas en una película de múltiples capas contribuyen diversos atributos a la película final, incluyendo propiedades físicas de la rigidez y de la barrera. Mientras Que el análisis térmico a granel se puede utilizar para medir la pila compuesta completa, el nTA permite el individuo, mediciones térmicas "in-situ" de la propiedad dentro de capas individuales. Esto activa la identificación de cada capa, así como la identificación de defectos individuales dentro de cualquier capa. Además, la temperatura de transición de las películas individuales se puede correlacionar para detectar la presencia posible de gradientes de temperatura de transición o de inhomogeneidades. Los gradientes Térmicos con el espesor de la película pueden ocurrir durante el tramitación de la película debido a las diferencias en historia térmica entre las dos caras. El Cuadro 4 muestra un ejemplo de una película de múltiples capas simple usada para el acondicionamiento de los alimentos. La película de centro del alcohol del vinilo del etileno (EVOH) se utiliza como película de la barrera y tiene una temperatura de transición más inferior que la capa adyacente del “amarre” o las capas del polietileno de alta densidad del exterior.

Cuadro 4. (a) imagen de la topografía de los 25µm del x 12µm TappingMode de una película de múltiples capas cruz-seccionada usada para el acondicionamiento de los alimentos. (b) Datos del nTA de VITA que muestran transiciones térmicas distintas en cada capa. Las curvas azules fueron obtenidas en las capas del empaquetado exterior (en las caras izquierdas y derechas de la imagen del AFM) y exhiben las altas temperaturas de transición indicativas del polietileno de alta densidad. La curva verde era en el centro la capa obtenida (centro de la imagen del AFM) y piezas de convicción la temperatura de transición mucho más inferior característica del alcohol del vinilo del etileno (EVOH), una opción típica para una capa de barrera. La curva roja con su temperatura de transición intermedia fue obtenida en el de capa delgada rodeando la capa de centro.

Capas

Los materiales poliméricos Orgánicos son ampliamente utilizados como las capas en un número creciente de las aplicaciones debido a las oportunidades que proporcionan para ajustar funcionamiento, particularmente aspecto y propiedades superficiales tales como resistencia a la corrosión. Mientras Que el rango de aplicaciones crece y los requisitos se convierten en el más exigir, la complejidad de recubrimiento está aumentando y el espesor está disminuyendo. Esta tendencia hacia capas finas, complejas obstaculiza la investigación con el equipo tradicional del análisis térmico. Un reto adicional se presenta del enfoque reciente en el tipo de curado, donde las reglas y las consideraciones ambientales del costo de fabricación están impulsando una minimización del tiempo de secado. Así, el análisis de capas exige cada vez más la resolución espacial y temporal.

La técnica del nTA cumple todos los requisitos impuestos por aplicaciones modernas de la capa. Una medición individual se realiza dentro de segundos, teniendo en cuenta la cuantificación de los tiempos de curado que son minutos en la duración. La resolución espacial del nanoscale permitida por el nTA amplía análisis térmico a capas más finas, y compensando la antena una pequeña distancia lateralmente después de cada medición a una ubicación imperturbada, o las inhomogeneidades espaciales o las dependencias del tiempo pueden ser resueltas.

El Cuadro 5 muestra una aplicación del ejemplo usando nTA de VITA para determinar la distribución de materiales en una capa sólida del lubricante del dos-componente. Los dos materiales eran aerosol depositado junto en un substrato de aluminio. Ópticamente, aparecía que la capa no era contínua. Sin Embargo, ni los datos ópticos ni del AFM podían distinguir los dos materiales. Usando nTA, la superficie sin recubrimiento se podía determinar sin obstrucción debido a la falta de penetración de la antena en la superficie en la gama de temperaturas, según lo demostrado con la curva verde en los datos de VITA. Los dos otros componentes se podían determinar por sus temperaturas de transición fácilmente distinguidas de ~85°C comparado con ~125°C. Correlacionando varias las islas, también fue mostrado que los dos componentes formados separan las islas y no se entremezclaron.

Cuadro 5. Una imagen óptica (correcta) de una capa sólida del lubricante del dos-componente. Los círculos indican las ubicaciones en donde los datos del nTA fueron tomados, y los colores correlacionan con las curvas en el gráfico (se fue). Los datos del nTA en el gráfico determinan sin obstrucción las dos diversas capas por sus temperaturas de transición distintas. La ausencia completa de temperaturas de transición en la curva verde muestra que ninguno de los dos componentes está presentes en la ubicación del círculo verde.

Conclusión

Activando análisis térmico del nanoscale, el módulo de VITA combina los mundos de la microscopia y del análisis térmico, así revelando la distribución espacial de propiedades y de inhomogeneidades térmicas. Esta capacidad hace el accesorio de VITA únicamente valioso en las aplicaciones que colocan del análisis de las mezclas o de los compuestos del polímero a las mediciones "in-situ" de capas finas. La técnica es hecha posible por una antena térmica microfabricated que permita que los científicos calienten muestras localmente y que midan propiedades térmicas de regiones en la microescala del nanoand.

Esta información ha sido originaria, revisada y adaptada de los materiales proporcionados por las Superficies Nanas de Bruker.

Para más información sobre esta fuente visite por favor las Superficies Nanas de Bruker.

Date Added: Jun 22, 2009 | Updated: Jan 23, 2014

Last Update: 23. January 2014 11:29

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