Il Modulo dell'Analisi Termica di Bruker (VITA) Permette all'Analisi Termica di Nanoscale dei Polimeri

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Introduzione
Analisi Termica di Nanoscale
Miscele del Polimero
Pellicole A Più Strati
Rivestimenti
Conclusione

Introduzione

Il modulo dell'Analisi Termica (VITA) permette all'analisi termica del nanoscale (nTA), una tecnica novella che permette la determinazione della temperatura di transizione locale sulla superficie di un materiale con risoluzione spaziale del nanoscale. Fornendo la caratterizzazione quantitativa, il nTA può contribuire ad identificare i materiali e la loro separazione di fase e distribuzione della componente (o aggregazione) al nanoscale. La tecnica utilizza una sonda termica specializzata per riscaldare una regione molto piccola sulla superficie del campione e localmente per misurare i sui beni termici, compreso tali transizioni termiche come i punti di fusione e le transizioni di vetro. La sonda termica è simile nella geometria e le caratteristiche fisiche a microscopia atomica della forza del silicio standard (AFM) sonda e così permette alla generazione di mappe ad alta definizione della topografia del campione facendo uso del modo di contatto e delle tecniche di TappingMode™. L'immagine del AFM può essere usata per mirare alle posizioni di interesse per le analisi termiche, che possono poi essere eseguite nel giro di pochi secondi. In questo modo, il nTA sposa la risoluzione del AFM ai dati inequivocabili e quantitativi dell'analisi termica. Questa nota di applicazione descrive la tecnica e dimostra i sui vantaggi in una serie di applicazioni.

Analisi Termica di Nanoscale

I metodi Termici, quale calorimetria di a scansione differenziale (DSC), l'analisi termomeccanica (TMA) e l'analisi meccanica dinamica (DMA), sono tecniche affermate per la caratterizzazione della temperatura di transizione dei materiali. Tuttavia, una limitazione seria dei metodi termici convenzionali è che danno soltanto una risposta campione-fatta la media e non possono fornire informazioni sui difetti localizzati, né possono danno i beni termici dei rivestimenti/pellicole più di meno di alcuni micron di spessore. Una misura di DSC, per esempio, può indicare la presenza di più di una fase, ma la tecnica non può fornire generalmente alcun'informazione per quanto riguarda la dimensione o la distribuzione delle fasi. Ciò urta specialmente gli scienziati che lavorano con le miscele del polimero (dove le morfologie di miscela sono determinanti per la determinazione dei loro beni materiali), i rivestimenti (dove le imperfezioni quali le formazioni del gel possono urtare seriamente la prestazione), le pellicole a più strati ed i compositi.

Il AFM è stato usato ordinariamente per caratterizzare la topografia di tali materiali come pure la distribuzione delle loro componenti. In alcuni tipi di campioni, il materiale, se conosciuto ed il suo modulo può essere risoluto dalla topografia o dalla variazione dei beni meccanici rivelatrice nelle immagini del AFM. Tradizionalmente, questo è stato compiuto con una serie di modi del microscopio della sonda (SPM) di scansione, quali microscopia della forza laterale (LFM), modulazione della forza e la rappresentazione di fase di TappingMode. Più recentemente, l'introduzione di HarmoniX™ ha fornito una combinazione unica di rappresentazione più di alta risoluzione, veloce, non distruttiva la rappresentazione quantitativa dei beni meccanici. HarmoniX è ideale per la mappatura delle variazioni del nanoscale nei beni meccanici. Ogni Volta Che le componenti o i microphases esibiscono le differenze significative nei beni meccanici, queste tecniche possono anche fornire una distribuzione inequivocabile di fase e della componente.

Il vantaggio dell'analisi termica del nanoscale (nTA) è che può fornire un'identificazione materiale del nanoscale inequivocabile anche in assenza delle variazioni dei beni meccanici. Permette la determinazione delle temperature di transizione locali sulla superficie di un campione. Ciò è compiuta mettendo una sonda specializzata in contatto con la superficie del campione, riscaldante l'estremità della trave a mensola e misurante la sua deformazione facendo uso della rilevazione standard di deformazione di raggio del AFM. Durante la misura, la sonda è tenuta ad una posizione fissa sulla superficie del campione. Come la trave a mensola e, a sua volta, il campione riscaldano, il campione si espanderanno, spingendo verso l'alto la sonda e causando un aumento nel segnale di deflessione verticale. Ad una temperatura di transizione, il materiale ammorbidirà tipicamente tali che la forza applicata dalla trave a mensola può deformare la superficie del campione, permettendo che la sonda penetri il campione e facendo diminuire la deformazione della trave a mensola. Il cambiamento nel pendio del segnale di deformazione è un'indicazione di una transizione termica. Questa tecnica è simile alla tecnica in serie dell'analisi termica, l'Analisi Termomeccanica (TMA), ma può determinare la temperatura di transizione di un campione localmente sul micro- e perfino sul nanoscale. La temperatura di transizione come misurata da nTA correla tipicamente bene con la temperatura di transizione misurata mediante tecniche in serie e può quindi essere usata per identificare un materiale e per determinare se è in un modulo cristallino o amorfo.

Le travi a mensola specialmente progettate del AFM utilizzate affinchè tecnologia di MEMS compresa nTA crino un percorso conduttivo tramite i lati di una parte a mensola e ad alta resistenza vicino alla sua estremità. Ciò induce l'estremità della trave a mensola a riscaldare quando la corrente attraversa il percorso conduttivo. La trave a mensola stessa è fatta di silicio ed il percorso è creato impiantando il silicio con differenti concentrazioni di dopant. Figura 1 manifestazioni un'immagine di SEM della sonda termica utilizzata nel nTA. La sonda ha un simile raggio di allungamento e dell'estremità alle sonde incise standard del silicio, permettendo la rappresentazione ad alta definizione nel modo di contatto o in TappingMode. Poiché il materiale è silicio drogato, la trave a mensola può resistere alle correnti molto più alte che le travi a mensola a film metallico e quindi raggiunge le temperature molto più alte. Il riscaldamento Controllabile può essere eseguito fino alle temperature alte quanto 350-400°C. L'alta conducibilità termica di silicio permette alle tariffe di rampa molto ad alta temperatura, raggiungenti la temperatura massima in meno di 100 microsecondi, così tenendo conto (alta capacità di lavorazione e localizzato) il riscaldamento rapido del campione. Un assegno complementare delle travi a mensola è la loro capacità di resistere all'impulso che riscalda intorno a 1000°C, che può essere usato per pulire tutta la contaminazione che aderisce alla punta della sonda.

Figura 1. Un'immagine di SEM della sonda termica microfabricated usata per le misure del nTA. L'inserzione è uno zoom del suggerimento, che stabilisce il contatto con la superficie del campione.

La gamma di temperature accessibile con il nTA sonda e l'esigenza del riscaldamento localizzato del campione (così limitando conducibilità termica del campione) rende alla tecnica del nTA un raffronto ideale per i polimeri. Quindi, le applicazioni del nTA sono state messe a fuoco sui materiali polimerici e farmaceutici. Segue una serie di applicazioni in queste aree che mostrano che l'utilità di nTA a più completamente caratterizza un materiale al nano o alla microscala. Inoltre, l'uso delle sonde heated nella microscopia della sonda di scansione sta continuando a sviluppare le nuove e tecniche ed applicazioni interessanti, dalla litografia del nanoscale alla caratterizzazione elettrica temperatura-dipendente dei campioni.

Miscele del Polimero

Le miscele del Polimero sono utilizzate in una vasta gamma di industrie dovuto regolarsi della scelta componente adeguata diretta possibile dei beni materiali. Il AFM è stato usato per contribuire a caratterizzare la dimensione e la distribuzione del dominio di una vasta gamma di campioni di miscela del polimero. Secondo le indicazioni di figure 2 e 3, i domini possono essere visualizzati facendo uso sia dei dati della topografia che della rappresentazione di fase. Ciò costituisce un punto di partenza ideale per nTA, che può poi essere usato per contribuire ad identificare quale dominio è quale come pure se i domini sono completamente fase segregata o sono mescolati. Poiché i campioni nella queste figure sono miscele immiscibili, la domanda primaria è quale materiale è quale.

Figura 2. (a) immagine di 4µm x di 4µm TappingMode AFM di un polistirolo - miscela bassa-densitypolyethylene (PS-LDPE). I cerchi rossi e blu evidenziano la posizione utilizzata per le misure di VITA nei domini di PS e nella matrice del LDPE, rispettivamente. (b) misure del nTA di VITA che mostrano riproducibile la temperatura di transizione vetrosa di PS dentro i domini e la transizione di fusione del LDPE nella matrice, così identificando la distribuzione componente senza ambiguità.

Figura 3. (a) immagine di 2µm x di 4µm TappingMode AFM di un ossido del polietilene - miscela sindiotattica del polipropilene (PEO-speci) che mostra sia topografia (lasciata) che fase (destra). Il cerchio rosso evidenzia un piccolo dominio ed il cerchio blu evidenzia un simile dominio dopo che l'analisi termica nana è stata eseguita. (b) misura del nTA di VITA realizzata alla posizione del cerchio blu. La curva mostra una temperatura di transizione caratteristica di PEO, seguito da una transizione della colata delle speci. Apparentemente, le piccole funzionalità visibili nelle immagini del AFM rappresentano i domini bassi di PEO che sono attraversati prontamente, permettendo che la sonda percepisca sia il piccolo dominio di PEO che essendo alla base della matrice delle speci.

Tutti materiali in queste miscele (polistirolo, basso densità polietilene, ossido del polietilene, polipropilene sindiotattico) sono relativamente rigidi in confronto alla trave a mensola alla temperatura ambiente, in modo da all'identificazione materiale basata sulla variazione dei beni meccanici possono provare inaffidabile. Le temperature di Transizione, d'altra parte, differiscono notevolmente fra le componenti, tenendo conto l'identificazione componente diretta facendo uso del nTA. L'Ulteriore informazione circa spessore del dominio può essere spigolata nel caso dell'ossido del polietilene - miscela sindiotattica del polipropilene (PEO-speci), dove l'infiltrazione della sonda nei piccoli domini di PEO è veduta per essere seguita rapidamente dall'infiltrazione in una matrice di fondo delle speci.

I dati del nTA presentati qui (figure 2 e 3) sono state generate facendo uso delle tariffe di riscaldamento di 5°C al secondo. Mentre significativamente velocemente delle tariffe di riscaldamento impiegate tipicamente per l'analisi termica in serie, questo tasso alto è tipico per nTA e permette al riscaldamento localizzato ed all'alta capacità di lavorazione. La determinazione inequivocabile di distribuzione di miscela come appare figura 2 faceva appena in alcuni minuti. La strumentazione permette l'adeguamento della tariffa di riscaldamento sopra una vasta gamma sia alle tariffe di riscaldamento più lente che significativamente più veloci, come richiesto per l'esperimento.

Pellicole A Più Strati

Le pellicole A Più Strati rappresentano una scelta di materiale standard per la maggior parte delle applicazioni d'imballaggio. I livelli differenti in una pellicola a più strati contribuiscono gli attributi differenti alla pellicola definitiva, compreso i beni fisici della barriera e di rigidità. Mentre l'analisi termica in serie può essere usata per misurare la pila composita completa, il nTA permette la persona, misure termiche in situ dei beni all'interno di diversi livelli. Ciò permette all'identificazione di ogni livello come pure l'identificazione della persona diserta all'interno di qualsiasi livello. Ulteriormente, la temperatura di transizione di diverse pellicole può essere mappata per individuare la presenza possibile di gradienti geotermici di transizione o di eterogeneità. I Gradienti termici con lo spessore della pellicola possono accadere durante il trattamento della pellicola dovuto le differenze in cronologia termica fra i due lati. Figura 4 mostra un esempio di una pellicola a più strati semplice usata per l'imballaggio per alimenti. La pellicola concentrare dell'alcole del vinile dell'etilene (EVOH) è usata come pellicola della barriera ed ha una temperatura di transizione più bassa che il livello adiacente “del legame„ o i livelli del polietilene ad alta densità dell'esterno.

Figura 4. (a) immagine di topografia di 12µm x di 25µm TappingMode di una pellicola a più strati inter-sezionata usata per l'imballaggio per alimenti. (b) dati del nTA di VITA che mostrano le transizioni termiche distinte in ogni livello. Le curve blu sono state ottenute in livelli dell'imballaggio esterno (sui lati destri e sinistri dell'immagine del AFM) ed esibiscono le alte temperature di transizione indicative di polietilene ad alta densità. La curva verde è stata ottenuta in livello concentrare (centro dell'immagine del AFM) ed in mostre la temperatura di transizione molto più bassa caratteristica dell'alcole del vinile dell'etilene (EVOH), una scelta tipica per uno strato di sbarramento. La curva rossa con la sua temperatura di transizione intermedia è stata ottenuta in di strato sottile circondando il livello concentrare.

Rivestimenti

I materiali polimerici Organici sono ampiamente usati come rivestimenti in un numero crescente delle applicazioni dovuto le opportunità che prevedono regolare la prestazione, in particolare l'aspetto e tali beni di superficie come la resistenza della corrosione. Mentre l'intervallo delle applicazioni si sviluppa ed i requisiti si trasformano nella più richiesta, la complessità ricoprente sta aumentando e lo spessore sta diminuendo. Questa tendenza verso i rivestimenti sottili e complessi ostacola la ricerca con la strumentazione tradizionale dell'analisi termica. Un'ulteriore sfida risulta dal fuoco recente sulla tariffa di maturazione, dove i regolamenti e le considerazioni ambientali di costo di produzione stanno determinando una minimizzazione di tempo d'essiccamento. Quindi, l'analisi dei rivestimenti sempre più richiede la risoluzione spaziale e temporale.

La tecnica del nTA soddisfa tutte le richieste imposte dalle applicazioni moderne del rivestimento. Una misura determinata è realizzata nei secondi, tenendo conto la quantificazione dei tempi di maturazione che sono minuti nella durata. La risoluzione spaziale del nanoscale accordata da nTA estende l'analisi termica fino i rivestimenti più sottili e stampando in offset la sonda una piccola distanza lateralmente dopo ogni misura ad una posizione indisturbata, o eterogeneità spaziali o le dipendenze di tempo possono essere risolute.

Figura 5 mostra un'applicazione di esempio facendo uso del nTA di VITA per identificare la distribuzione dei materiali in un rivestimento solido a due componenti del lubrificante. I due materiali erano spruzzo depositato insieme su un substrato di alluminio. Otticamente, è sembrato che il rivestimento non fosse continuo. Tuttavia, nè i dati del AFM nè ottici hanno potuto differenziare i due materiali. Usando il nTA, la superficie non rivestita ha potuto essere identificata chiaramente a causa della mancanza di infiltrazione della sonda nella superficie in tutto la gamma di temperature, come dimostrato con la curva verde nei dati di VITA. Le due altre componenti hanno potuto essere identificate dalle loro temperature di transizione facilmente distinte di ~85°C contro ~125°C. Mappando le una serie di isole, egualmente è stato indicato che le due componenti formate separano le isole e non si sono mescolate.

Figura 5. Un'immagine ottica (destra) di un rivestimento solido a due componenti del lubrificante. I cerchi indicano le posizioni dove i dati del nTA sono stati catturati ed i colori correlano con le curve nel grafico (ha andato). I dati del nTA nel grafico identificano chiaramente i due rivestimenti differenti per le loro temperature di transizione distinte. L'assenza completa di temperature di transizione nella curva verde indica che non c'è nessuno dei due componente presente alla posizione del cerchio verde.

Conclusione

Permettendo all'analisi termica del nanoscale, il modulo di VITA combina i mondi di microscopia e dell'analisi termica, così rivelando la distribuzione spaziale dei beni e delle eterogeneità termici. Questa abilità rende l'accessorio di VITA unicamente apprezzato nelle applicazioni che variano dall'analisi delle miscele o dei compositi del polimero alle misure in situ dei rivestimenti sottili. La tecnica è permessa da una sonda termica microfabricated che permette che gli scienziati riscaldino i campioni localmente ed i beni termici della misura delle regioni sulla microscala del nanoand.

Questi informazioni sono state originarie, esaminate ed adattate dai materiali forniti dalle Superfici Nane di Bruker.

Per ulteriori informazioni su questa sorgente visualizzi prego le Superfici Nane di Bruker.

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

Last Update: 23. January 2014 11:14

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