Module Laat de Thermische van de Analyse van Bruker (VITA) Thermische Analyse Nanoscale van Polymeren toe

Besproken Onderwerpen

Inleiding
De Thermische Analyse van Nanoscale
De Mengsels van het Polymeer
Multilayer Films
Deklagen
Conclusie

Inleiding

De module Thermische van de Analyse (VITA) laat nanoscale thermische analyse (nTA), een nieuwe techniek toe die de bepaling van de lokale overgangstemperatuur op de oppervlakte van een materiaal met nanoscale ruimteresolutie toestaat. Door kwantitatieve karakterisering te verstrekken, nTA kan helpen materialen en hun fasescheiding en componentendistributie (of samenvoeging) bij nanoscale identificeren. De techniek gebruikt een gespecialiseerde thermische sonde om een zeer klein gebied op de steekproefoppervlakte te verwarmen en plaatselijk zijn thermische eigenschappen, met inbegrip van dergelijke thermische overgangen te meten zoals smeltpunten en glasovergangen. De thermische sonde is gelijkaardig in meetkunde en fysieke kenmerken aan standaard de microscopiesondes van de silicium atoom (AFM)kracht, en laat zo de generatie van highresolution kaarten die van de steekproeftopografie contactwijze en technieken TappingMode™ gebruiken toe. Het beeld AFM kan aan doelplaatsen worden gebruikt van belang voor thermische analyses, die dan in een kwestie van seconden kunnen worden uitgevoerd. Op deze wijze, nTA huwt de resolutie van AFM aan de ondubbelzinnige en kwantitatieve gegevens van thermische analyse. Deze toepassingsnota beschrijft de techniek en toont zijn voordeel halen uit een aantal toepassingen aan.

De Thermische Analyse van Nanoscale

De Thermische methodes, zoals differentieel aftastencalorimetrie (DSC), thermomechanische analyse (TMA), en dynamische mechanische analyse (DMA), zijn reeds lang gevestigde technieken om de overgangstemperatuur van materialen te kenmerken. Nochtans, is een ernstige beperking van conventionele thermische methodes dat zij slechts een steekproef-het gemiddelde genomen van reactie geven en geen informatie kunnen verstrekken over gelokaliseerde tekorten, noch kan zij de thermische eigenschappen van deklagen/films minder dan een paar microns in dikte geven. Een meting DSC, bijvoorbeeld, kan op de aanwezigheid van meer dan één fase wijzen, maar de techniek kan geen informatie betreffende de grootte of de distributie van fasen over het algemeen geven. Dit beïnvloedt in het bijzonder wetenschappers die met polymeermengsels (waar de mengselmorfologie essentieel is voor het bepalen van hun materiële eigenschappen) werken, deklagen (waar de onvolmaaktheden zoals gelvormingen prestaties) kunnen ernstig beïnvloeden, multilayer films, en samenstellingen.

AFM is uit routine gebruikt om de topografie van dergelijke materialen, evenals de distributie van hun componenten te kenmerken. In sommige types van steekproeven, kan het materiaal, indien gekend, en zijn vorm van de topografie of de mechanische die bezitsvariatie worden bepaald in beelden AFM wordt geopenbaard. Traditioneel, is dit verwezenlijkt door een aantal de microscoopwijzen van de aftasten (SPM)sonde, zoals de zijkrachtmicroscopie (LFM), krachtmodulatie, en TappingMode faseweergave. Meer onlangs, heeft de introductie van HarmoniX™ een unieke combinatie van hoogste resolutie, snelle, niet-destructieve weergave van kwantitatieve mechanische bezitsweergave voorzien. HarmoniX is ideaal voor afbeeldings nanoscale variaties in mechanische eigenschappen. Wanneer de componenten of microphases significante verschillen in mechanische eigenschappen tentoonstellen, kunnen deze technieken een ondubbelzinnige component en fasedistributie ook verstrekken.

Het voordeel van nanoscale thermische analyse (nTA) is dat het een ondubbelzinnige nanoscale materiële identificatie zelfs bij gebrek aan mechanische bezitsvariaties kan verstrekken. Het staat de bepaling van lokale overgangstemperaturen op toe de oppervlakte van een steekproef. Dit wordt verwezenlijkt door een gespecialiseerde sonde in contact met de steekproefoppervlakte te brengen die, die het eind van de cantilever verwarmen, en zijn afbuiging meten gebruikend de standaardopsporing van de straalafbuiging van AFM. Tijdens de meting, wordt de sonde gehouden bij een vaste plaats op de oppervlakte van de steekproef. Als cantilever en, beurtelings, steekproefhitte omhoog, zal de steekproef zich uitbreiden, verhogend de sonde en veroorzakend een verhoging van het verticale afbuigingssignaal. Bij een overgangstemperatuur die, zal het materiaal typisch zacht worden dusdanig dat de kracht door de cantilever wordt toegepast kan de oppervlakte misvormen die van de steekproef, de sonde toestaan om de steekproef te doordringen en de afbuiging van de cantilever verminderen. De verandering in helling van het afbuigingssignaal is een aanwijzing van een thermische overgang. Deze techniek is gelijkaardig aan de bulk thermische analysetechniek, Thermomechanische Analyse (TMA), maar het kan de overgangstemperatuur van een steekproef op de micro plaatselijk bepalen en zelfs nanoscale. De overgangstemperatuur zoals die door nTA wordt gemeten correleert typisch goed met de overgangstemperatuur door bulktechnieken wordt gemeten, en kan daarom worden gebruikt om een materiaal te identificeren en te bepalen of het in een kristallijne of amorfe vorm is.

De speciaal ontworpen die cantilevers AFM voor nTA worden gebruikt nemen technologie MEMS op om tot een geleidende weg door de benen van de cantilever en tot een hoog-weerstandsgedeelte te leiden dichtbij zijn eind. Dit veroorzaakt het eind van de cantilever om omhoog te verwarmen wanneer huidige stromen door de geleidende weg. De cantilever zelf wordt gemaakt van silicium en de weg wordt gecreeerd door het silicium met verschillende additiefconcentraties te inplanteren. Figuur 1 toont een beeld van SEM van de thermische die sonde in nTA wordt gebruikt. De sonde heeft een gelijkaardige van het aspectenverhouding en eind straal aan norm geëtste siliciumsondes, die high-resolution weergave in of contactwijze of TappingMode toestaan. Omdat het materiaal gesmeerd silicium is, kan de cantilever veel hogere stromen weerstaan dan de cantilevers van de metaalfilm, en bereikt daarom veel hogere temperaturen. Het Controleerbare verwarmen kan tot temperaturen zo worden uitgevoerd hoog zoals 350-400°C. Het hoge warmtegeleidingsvermogen van silicium laat hellingstarieven toe zeer op hoge temperatuur, die maximumtemperatuur in minder dan 100 microseconden bereiken, zo toestaand voor het snelle (hoge productie en gelokaliseerd) steekproef verwarmen. Een extra voordeel van de cantilevers is hun capaciteit om impuls het verwarmen aan rond 1000°C te weerstaan, die kan worden gebruikt om het even welke verontreiniging schoon te maken die de top van de sonde aanhangt.

Figuur 1. Een beeld van SEM van microfabricated thermische die sonde voor nTAmetingen wordt gebruikt. Het bijvoegsel is een gezoem van het uiteinde, dat contact met de steekproefoppervlakte opneemt.

De temperatuurwaaier toegankelijk met de nTAsondes, en de behoefte aan gelokaliseerde steekproef die (zo warmtegeleidingsvermogen van de steekproef beperken) verwarmen die maken tot de nTAtechniek een ideale gelijke voor polymeren. Aldus, nTA zijn de toepassingen geconcentreerd op polymere en farmaceutische materialen. Na zijn een aantal toepassingen op deze gebieden die het nut van nTA tonen om een materiaal bij nano- of de micro-schaal vollediger te kenmerken. Bovendien blijft het gebruik van de verwarmde sondes in de microscopie van de aftastensonde nieuwe en interessante technieken en toepassingen, van nanoscalelithografie aan temperatuur-afhankelijke elektrokarakterisering van steekproeven ontwikkelen.

De Mengsels van het Polymeer

De mengsels van het Polymeer worden gebruikt in een brede waaier van de industrieën toe te schrijven aan de boete - het stemmen van materiële eigenschappen mogelijk door juiste componentenkeus. AFM is gebruikt helpen de de domeingrootte en distributie in een brede waaier van de steekproeven van het polymeermengsel kenmerken. Zoals aangetoond in cijfers 2 en 3, kunnen de domeinen worden gevisualiseerd gebruikend zowel topografiegegevens als faseweergave. Dit vormt een ideaal uitgangspunt voor nTA, die dan kan worden gebruikt helpen identificeren welk domein is welke, evenals als de domeinen volledig zijn zonderde de fase af of is vermengd. Aangezien de steekproeven in deze cijfers onvermengbare mengsels zijn, is de primaire vraag welk materiaal is welke.

Figuur 2. (a) 4µm x 4µm het beeld van TappingMode AFM van een polystyreen - laag-densitypolyethylene-laagste (ps-LDPE) mengsel. De rode en blauwe die cirkels benadrukken de plaats voor metingen VITA in de PS domeinen en LDPE matrijs wordt gebruikt, respectievelijk. (b) de metingen die van VITA nTA reproducibly de PS temperatuur van de glasovergang binnen de domeinen en de LDPE het smelten overgang in de matrijs tonen, waarbij de componentendistributie ondubbelzinnig wordt geïdentificeerd.

Figuur 3. (a) 4µm x 2µm het beeld van TappingMode AFM van een polyethyleenoxyde - syndiotactic polypropyleen (PEO-Soorten) mengsel dat zowel (verlaten) toont topografie en (juiste) fase. De rode cirkel benadrukt een klein domein en de blauwe cirkel benadrukt een gelijkaardig domein nadat de nano thermische analyse werd uitgevoerd. (b) die de meting van VITA nTA bij de plaats van de blauwe cirkel wordt uitgevoerd. De kromme toont een overgangstemperatuur kenmerkend van PEO, door een overgang die van de soortensmelting wordt gevolgd. Blijkbaar, vertegenwoordigen de kleine eigenschappen zichtbaar in de beelden AFM ondiepe domeinen PEO die gemakkelijk zijn overgestoken, toestaand de sonde om zowel het kleine domein te ontdekken PEO als ten grondslag liggend soorten aan matrijs.

Alle materialen in deze mengsels (polystyreen, laag-dichtheid-polyethyleen, polyethyleenoxyde, syndiotactic polypropyleen) zijn vrij stijf in vergelijking met de cantilever bij kamertemperatuur, zodat kan wordt gebaseerd de materiële die identificatie op mechanische bezitsvariatie onbetrouwbaar blijken. De temperaturen van de Overgang, anderzijds, verschillen zeer tussen de componenten, toestaand voor ongecompliceerde componentenidentificatie gebruikend nTA. De Verdere informatie over domeindikte kan in het geval van het polyethyleenoxyde worden verzameld - syndiotactic polypropyleen (PEO-Soorten) mengsel, waar de sondepenetratie in kleine domeinen PEO snel door penetratie in een onderliggende soortenmatrijs wordt gezien worden gevolgd.

De hier voorgelegde nTAgegevens (figuren 2 en 3) werden geproduceerd gebruikend het verwarmen tarieven van 5°C per seconde. Terwijl beduidend sneller dan het verwarmen tarieven typisch voor bulk thermische analyse tewerkstelde, is dit hoge tarief typisch voor nTA en het laat het gelokaliseerde verwarmen en hoge productie toe. De ondubbelzinnige die bepaling van mengseldistributie in figuur 2 wordt getoond werd verwezenlijkt binnen enkel een paar notulen. De instrumentatie staat aanpassing van het het verwarmen tarief over een brede waaier aan zowel langzamere als beduidend snellere het verwarmen tarieven toe, zonodig voor het experiment.

Multilayer Films

Multilayer films vertegenwoordigen een standaardkeus van materiaal voor de meeste verpakkingstoepassingen. De verschillende lagen in een multilayer film dragen verschillende attributen tot de definitieve film, met inbegrip van fysieke starheid en barrièreeigenschappen bij. Terwijl de bulk thermische analyse kan worden gebruikt om de volledige samengestelde stapel te meten, nTA staat individuele, in situ thermische bezitsmetingen binnen individuele lagen toe. Dit laat de identificatie van elke laag, evenals de identificatie van individuele tekorten binnen om het even welke laag toe. Bovendien, kan de overgangstemperatuur van de individuele films worden in kaart gebracht om de mogelijke aanwezigheid van de gradiënten van de overgangstemperatuur of niet-homogeen karakter te ontdekken. De Thermische gradiënten door de dikte van de film kunnen tijdens verwerking van de film voorkomen toe te schrijven aan verschillen in thermische geschiedenis tussen de twee kanten. Figuur 4 toont een voorbeeld van een eenvoudige die multilayer film voor voedsel verpakking wordt gebruikt. Vinyl de alcohol (EVOH) film wordt de van de centrumethyleen gebruikt als barrièrefilm en heeft een lagere overgangstemperatuur dan de aangrenzende „band“ laag of de buitenhigh-density polyethyleenlagen.

Figuur 4. (a) 25µm x 12µm TappingMode topografiebeeld van een dwars-gesegmenteerde die multilayer film voor voedsel verpakking wordt gebruikt. (b) de gegevens die van VITA nTA verschillende thermische overgangen in elke laag tonen. De blauwe krommen werden verkregen in de buiten verpakkingslagen (bij de linkerzijde en de rechterkanten van het beeld AFM) en tentoonstellen de hoge overgangstemperaturen indicatief van high-density polyethyleen. De groene kromme werd verkregen in de centrumlaag (centrum van het beeld AFM) en tentoonstelt de veel lagere overgangstemperatuur kenmerkend van ethyleen vinylalcohol (EVOH), een typische keus voor een barrièrelaag. De rode kromme met zijn middenovergangstemperatuur werd in de dunne laag verkregen die de centrumlaag omringt.

Deklagen

De Organische polymere materialen worden wijd gebruikt als deklagen in een groeiend aantal toepassingen toe te schrijven aan de kansen die zij boete hebben voorzien - het stemmen prestaties, in het bijzonder verschijning en dergelijke oppervlakteeigenschappen zoals corrosieweerstand. Aangezien de waaier van toepassingen groeit en de vereisten eisend worden, stijgt het met een laag bedekken van ingewikkeldheid en de dikte vermindert. Deze tendens naar dunne, complexe deklagen belemmert onderzoek met traditionele thermische analyseapparatuur. Een extra uitdaging is van de recente nadruk op het het genezen tarief het gevolg, waar de milieuverordeningen en productiekostenoverwegingen een minimalisering van droogtijd drijven. Aldus, eist de analyse van deklagen meer en meer ruimte en tijdelijke resolutie.

De nTAtechniek voldoet aan alle die vereisten door moderne deklaagtoepassingen worden opgelegd. Een individuele meting wordt uitgevoerd binnen seconden, die voor de getalsmatige weergave van het genezen van tijden toestaan die notulen in duur zijn. De nanoscale ruimtedieresolutie door nTA wordt veroorloofd breidt thermische analyse tot dunnere deklagen, en door de sonde uit lateraal te compenseren een kleine afstand nadat elke meting aan een ongestoorde plaats, of ruimteniet-homogeen karakter of tijdafhankelijkheid kan worden bepaald.

Figuur 5 toont een voorbeeldtoepassing gebruikend VITA nTA om de distributie van materialen in een twee-component stevige smeermiddeldeklaag te identificeren. De twee die materialen waren nevel samen op een aluminiumsubstraat wordt gedeponeerd. Optisch, bleek het dat de deklaag niet ononderbroken was. Nochtans, noch optisch noch Konden de afm- gegevens de twee materialen onderscheiden. Door te gebruiken nTA, kon de niet beklede oppervlakte duidelijk wegens het gebrek aan sondepenetratie in de oppervlakte door de temperatuurwaaier worden geïdentificeerd, zoals die met de groene kromme in de Vita- gegevens wordt aangetoond. De twee andere componenten zouden door hun gemakkelijk voorname overgangstemperaturen van ~85°C tegenover ~125°C. kunnen worden geïdentificeerd. Door de een aantal eilanden in kaart te brengen, toonde men ook dat de twee componenten afzonderlijke eilanden vormden en zich niet vermengden.

Figuur 5. Een optisch (juist) beeld van een twee-component stevige smeermiddeldeklaag. De cirkels wijzen op plaatsen waar nTA het gegeven werd genomen, en de kleuren correleren met de krommen in de grafiek (links). De nTAgegevens in de grafiek identificeren duidelijk de twee verschillende deklagen door hun verschillende overgangstemperaturen. Het volledige ontbreken van overgangstemperaturen in de groene kromme toont aan dat geen van beide component bij de plaats van de groene cirkel aanwezig is.

Conclusie

Door nanoscale thermische analyse toe te laten, combineert de module VITA de werelden van de microscopie en thermische analyse, waarbij de ruimtedistributie van thermische eigenschappen en niet-homogeen karakter wordt geopenbaard. Deze capaciteit maakt de toebehoren VITA uniek in toepassingen die waardevol zich van analyse van polymeermengsels of samenstellingen aan metingen in situ van films uitstrekken. De techniek wordt gemaakt mogelijk door a microfabricated thermische sonde die toestaat wetenschappers om steekproeven plaatselijk te verwarmen en thermische eigenschappen van gebieden op de nanoandmicro-schaal te meten.

Deze informatie is afkomstig geweest, herzien en die van materialen door Bruker Nano Oppervlakten aangepast worden verstrekt.

Voor meer informatie over deze bron te bezoeken gelieve Nano Oppervlakten Bruker.

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

Last Update: 23. January 2014 11:07

Ask A Question

Do you have a question you'd like to ask regarding this article?

Leave your feedback
Submit