Bruker の熱分析 (VITA) のモジュールはポリマーの Nanoscale の熱分析を可能にします

カバーされるトピック

導入
Nanoscale の熱分析
ポリマーブレンド
多層フィルム
コーティング
結論

導入

熱分析 (VITA) のモジュールは nanoscale の熱分析、 (nTA) nanoscale の空間分解能の材料の表面のローカル遷移温度の決定を可能にする新しい技術を可能にします。 量的な性格描写の提供によって、 nTA は nanoscale で材料のおよび段階分離およびコンポーネントの分布 (または集合) 識別を助けることができます。 技術はサンプル表面の非常に小さい領域を熱し、局部的に融点およびガラスの転移のような熱転移を含む熱特性を、測定するのに専門にされた熱プローブを利用します。 熱プローブは幾何学で類似して、標準ケイ素原子力の顕微鏡検査への物理的特性は (AFM)接触モードおよび TappingMode™の技術を使用して厳密に調べ、こうして高解像のサンプル地形のマップの生成を可能にします。 AFM の画像があっという間に実行することができる熱分析のための興味の位置を目標とするのに使用することができます。 このように、 nTA は熱分析の明瞭で、量的なデータに AFM の解像度と結婚します。 このアプリケーションノートは技術を記述し、いくつかのアプリケーションの利点を示します。

Nanoscale の熱分析

熱方法は、差動スキャン熱量測定のような (DSC)、加工熱の分析 (TMA)、およびダイナミックな機械分析 (DMA)、材料の遷移温度を特徴付けるための確立した技術です。 ただし、慣習的な熱方法の深刻な限定はそれらがサンプル平均された応答だけ与え、集中させた欠陥で情報を提供できない厚さの少数のミクロンよりより少なくコーティング/フィルムの熱特性を与えてもいいですことあります。 DSC の、例えば、以上 1 段階の存在を明記する技術は一般に段階のサイズまたは分布に関する情報を与えることができません。 これは特にポリマーブレンド (ブレンドの形態が物質的な特性の決定に重大であるかところで)、コーティング (ゲルの形成のような欠陥がパフォーマンスに大きく影響することができるかところで)、多層フィルムおよび合成物を使用している科学者に影響を与えます。

AFM が定期的にそのような材料の地形、またずっとコンポーネントの分布を特徴付けるのに使用されています。 ある種のサンプルでは、材料は、知られていたら、形式 AFM の画像で明らかにされる地形か機械特性の変化から断固としたであり。 従来、これは側面力の顕微鏡検査、力変調および (SPM) TappingMode 段階のようないくつかのスキャンのプローブの (LFM)顕微鏡のモードによって、イメージ投射達成されました。 もっと最近、 HarmoniX™の導入は量的な機械特性イメージ投射を高リゾリューション、速く、非破壊的なイメージ投射の一義的な組合せに与えました。 HarmoniX は機械特性の nanoscale の変化をマップするために理想的です。 コンポーネントか microphases が機械特性の重要な相違を表わす時はいつでも、これらの技術はまた明瞭なコンポーネントおよび段階の分布を提供できます。

nanoscale の熱分析の利点は (nTA)機械特性の変化がない時明瞭な nanoscale の物質的な識別を提供できることです。 それはサンプルの表面のローカル遷移温度の決定を可能にします。 これは片持梁の端を熱し、 AFM の標準ビーム偏向の検出を使用して偏向を測定するサンプル表面が付いている接触に専門にされたプローブを持って来ることによって達成されます。 測定の間に、プローブはサンプルの表面の固定排置で保持されます。 片持梁および、それから、サンプルとして、サンプル拡大しま熱しま、プローブを押上および縦の偏向のシグナルの増加を引き起こします。 遷移温度で、材料は普通そのような物を柔らかくしま片持梁によって加えられる力がサンプルの表面を変形できることサンプルを突き通すようにプローブがし、片持梁の偏向を減らします。 偏向のシグナルの斜面の変更は熱転移の徴候です。 この技術はバルク熱分析の技術、加工熱の分析 (TMA) に類似しています、しかしマイクロおよび nanoscale でサンプルの遷移温度を局部的に定めることができます。 従って nTA によって測定されるように遷移温度はバルク技術によって測定される遷移温度に普通よく関連し材料を識別し、結晶か無定形形式にであるかどうか定めるのに使用することができます。

端の近くで片持梁および抗力が高い部分の足を通して伝導性の経路を作成するのに nTA 合併 MEMS の技術に使用する特に設計されていた AFM の片持梁。 これにより片持梁の端は流れが伝導性の経路を貫流するとき熱します。 片持梁自体はケイ素から成り、経路は異なった添加物集中とケイ素を植え付けることによって作成されます。 図 1 は nTA で使用される熱プローブの SEM の画像を示します。 プローブに接触モードか TappingMode で標準エッチングされたケイ素のプローブに同じようなアスペクトレシオおよび端の半径がありま、高解像イメージ投射を許可します。 従って材料が添加されたケイ素であるので、片持梁はメタル・フィルム片持梁より大いに高い流れに抗でき大いにより高い温度を達成します。 制御可能な暖房は 350-400°C. 高い温度まで行うことができます。 従ってケイ素の高い熱伝導度は 100 マイクロ秒以下の最大温度に達する非常に高温傾斜路レートを可能にしま急速な (高いスループットおよび集中させる) サンプル暖房を可能にします。 片持梁の付加給付はプローブの頂点に付着する汚染をきれいにするのに使用することができる 1000°C のまわりでに熱するパルスに抗する機能です。

図 1。 nTA の測定に使用する microfabricated 熱プローブの SEM の画像。 差込みはサンプル表面が付いている接触をする先端のズームレンズです。

nTA とアクセス可能な温度較差は厳密に調べ、集中させたサンプル暖房のための必要性は (従ってサンプルの熱伝導度を限定します) ポリマーのための nTA の技術に理想的なマッチをします。 従って、 nTA のアプリケーションは重合体および薬剤材料に焦点を合わせました。 続くことは nTA のユーティリティがへの nano またはマイクロスケールでもっと十分に材料を特徴付けることを示すこれらの領域のいくつかのアプリケーションです。 さらに、スキャンのプローブの顕微鏡検査の熱くするプローブの使用法は nanoscale の石版印刷からのサンプルの温度依存した電気性格描写に新しく、興味深い技術そしてアプリケーションを、開発し続けています。

ポリマーブレンド

ポリマーブレンドは物質的な特性の可能な直通の適切な構成の選択の最適化による企業の広い範囲で使用されます。 ポリマーブレンドのサンプルの広い範囲の領域のサイズそして分布を特徴付けるのを助けるのに AFM が使用されていました。 図 2 および 3 に示すように、領域は地形両方データおよび段階イメージ投射を使用して視覚化することができます。 これは領域が十分に分離する段階またはであるか、どの領域であるか識別を助けるのに使用することができる nTA のための理想的な起点を構成します、また混合されますかどれは。 これらの図のサンプルが混合しにくいブレンドであるので、一次質問はどの材料どれはかであるかです。

図 2. (a) ポリスチレンの 4µm x 4µm TappingMode AFM の画像 - 低densitypolyethylene (PS-LDPE) ブレンド。 赤くおよび青の円は PS の領域および LDPE のマトリックスの VITA の測定のために利用される位置をそれぞれ強調します。 (b) 従ってマトリックスで領域の中の PS のガラス転移点および LDPE の溶ける転移を再生可能に示す VITA の nTA の測定構成の分布を明瞭に識別します。

図 3. (a) ポリエチレンの酸化物の 4µm x 2µm TappingMode AFM の画像 - 地形 (残っている) および段階を両方 (右の) 示すシンジオタクティックポリプロピレン (PEO sPP) のブレンド。 赤い円は小さい領域を強調し、 nano 熱分析が行われた後青い円は同じような領域を強調します。 (b) 青い円の位置で行われる VITA の nTA の測定。 カーブは PEO に独特遷移温度を sPP の溶解の転移によって続かれて示します。 おそらく、 AFM の画像で目に見える小さい機能は容易に横断される浅い PEO の領域を表しま、小さい PEO の領域を感じるようにプローブがし、 sPP のマトリックスを下にあります。

これらのブレンド (ポリスチレン、低密度ポリエチレン、ポリエチレンの酸化物、シンジオタクティックポリプロピレン) の材料すべては室温で片持梁、従って機械特性の変化に基づいて物質的な識別と比べて比較的堅いです信頼できない証明できます。 遷移温度は、一方では、コンポーネントの間で非常に異なりま、 nTA を使用して簡単な構成の識別を可能にします。 領域の厚さについてのより詳しい情報はポリエチレンの酸化物の場合には - 小さい PEO の領域へのプローブの浸透がすぐに根本的な sPP のマトリックスへの浸透に先行しているために見られるシンジオタクティックポリプロピレン (PEO sPP) のブレンド拾うことができます。

ここに示される nTA データ (図 2 および 3) は毎秒 5°C の暖房レートを使用して生成されました。 普通バルク熱分析のために用いられる暖房レートよりかなり速くこの高速は nTA のために典型的なおよび間、集中させた暖房および高いスループットを可能にします。 図 2 で示されているブレンドの分布の明瞭な決定はちょうど数分の内に堪能でした。 器械使用は実験に必要とされるようにより遅く、かなりより速い暖房レートに広い範囲上の暖房レートの調節を、可能にします。

多層フィルム

多層フィルムはほとんどの包装アプリケーションのための材料の標準選択を表します。 多層フィルムの異なった層は物理的な剛性率および障壁の特性を含む最終的なフィルムに異なった属性を、貢献します。 完全な合成スタックを測定するのにバルク熱分析が使用することができる間、 nTA は個人、個々の層内の in-situ 熱特性の測定を可能にします。 これは各層の識別、またあらゆる層内の個々の欠陥の識別を可能にします。 さらに、個々のフィルムの遷移温度は遷移温度の勾配または異種の可能な存在を検出するためにマップすることができます。 フィルムの厚さによる熱勾配は双方間の熱歴史の相違によるフィルムの処理の間に発生できます。 図 4 は食品包装のために使用される簡単な多層フィルムの例を示します。 中心のエチレンのビニールアルコール (EVOH) フィルムは障壁のフィルムとして使用され、隣接した 「タイ」の外側の高密度ポリエチレンの層より低い遷移温度があります。

図 4. (a) 食品包装のために使用される交差区分された多層フィルムの 25µm x 12µm TappingMode の地形の画像。 (b) 各層で個別の熱転移を示す VITA の nTA データ。 青いカーブは外装の層で (AFM の画像の左右の側面で) 得られ、高密度ポリエチレンを表した高い遷移温度を表わします。 緑のカーブは中心の層 (AFM の画像の中心) および展示品でエチレンのビニールアルコール (EVOH) に独特大いにより低い遷移温度バリヤー層のための典型的な選択得られました。 中間遷移温度の赤いカーブは薄層で得られ中心の層を囲みます。

コーティング

有機性重合体材料はパフォーマンスを最適化するために提供する機会、特に出現そして耐食性のような表面の特性による増加するアプリケーションのコーティングとして広く利用されています。 応用範囲が育ち、条件がより多くの要求になると同時に、コーティングの複雑さは増加して、厚さは減少しています。 薄く、複雑なコーティングの方のこの傾向は従来の熱分析装置との調査を妨げます。 追加挑戦は環境の規則および製造原価の考察が乾燥時間の最小化を運転している治癒のレートの最近の焦点から起こります。 従って、コーティングの分析はますます空間的で、一時的な解像度を要求します。

nTA の技術は現代コーティングのアプリケーションによって課されるすべての条件を満たします。 個々の測定は秒の内に行われ、持続期間分である治癒時間の定量化を可能にします。 nTA による nanoscale の空間分解能は各測定の後でより薄いコーティングに、そしてプローブを妨げられていない位置への横に相殺することによって小さい間隔熱分析を、空間的な異種拡張しますまたは時間の依存は断固としたである場合もあります。

図 5 は VITA の nTA を使用して 2 コンポーネントの固体潤滑油のコーティングの材料の分布を識別するために例アプリケーションを示します。 2 つの材料はアルミニウム基板で一緒に沈殿したスプレーでした。 コーティングが連続的ではなかった光学的に、ようです。 ただし、光学、 AFM データは 2 つの材料を区別できませんでした。 nTA の使用によって、光沢が無い表面は VITA データの緑のカーブと示されるように温度較差全体の表面へのプローブの浸透の欠乏のためにはっきり、識別できます。 2 つの他のコンポーネントは ~85°C の容易に区別された遷移温度によって対 ~125°C. 識別できます。 いくつかの島のマップによって、形作られる 2 つのコンポーネントが島を分け、混合しなかったことがまた示されていました。

図 5。 2 コンポーネントの固体潤滑油のコーティングの光学画像 (右の)。 円は nTA データが取られた、カラーはグラフのカーブに関連します位置を明記し (去りました)。 グラフの nTA データは個別の遷移温度によってはっきり 2 つのコーティングを識別します。 緑のカーブの遷移温度の完全な不在はどちらのコンポーネントも緑の円の位置でないことを示します。

結論

従って nanoscale の熱分析を可能にすることによって、 VITA のモジュールは顕微鏡検査および熱分析の世界を結合しま、熱特性および異種の空間的な分布を明らかにします。 この能力は VITA のアクセサリをポリマーブレンドまたは合成物の分析から薄いコーティングの in-situ 測定まで及ぶアプリケーションで一義的に貴重にさせます。 技術は科学者がサンプルを局部的に熱し、 nanoand のマイクロスケールの領域の熱特性を測定することを可能にする microfabricated 熱プローブによって可能にされます。

この情報は Bruker の Nano 表面によって提供される材料から供給され、見直され、そして適応させて。

このソースのより多くの情報のために Bruker の Nano 表面を訪問して下さい。

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

Last Update: 23. January 2014 11:15

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