O Módulo da Análise Térmica de Bruker (VITA) Permite a Análise Térmica de Nanoscale dos Polímeros

Assuntos Cobertos

Introdução
Análise Térmica de Nanoscale
Misturas do Polímero
Filmes Multilayer
Revestimentos
Conclusão

Introdução

O módulo da Análise Térmica (VITA) permite a análise térmica do nanoscale (nTA), uma técnica nova que permita a determinação da temperatura de transição local na superfície de um material com definição espacial do nanoscale. Fornecendo a caracterização quantitativa, o nTA pode ajudar a identificar materiais e sua separação de fase e distribuição do componente (ou agregação) no nanoscale. A técnica utiliza uma ponta de prova térmica especializada para aquecer uma região muito pequena na amostra de superfície e para medir localmente suas propriedades térmicas, incluindo transições térmicas como pontos de derretimento e transições do vidro. A ponta de prova térmica é similar na geometria e as características físicas à microscopia atômica da força do silicone padrão (AFM) sondam, e permitem assim a geração de mapas highresolution da topografia da amostra usando o modo de contacto e as técnicas de TappingMode™. A imagem do AFM pode ser usada para visar lugar do interesse para as análises térmicas, que podem então ser executadas numa questão de segundos. Desta maneira, o nTA casa a definição do AFM aos dados inequívocos e quantitativos da análise térmica. Esta nota de aplicação descreve a técnica e demonstra seus benefícios em um número de aplicações.

Análise Térmica de Nanoscale

Os métodos Térmicos, tais como a calorimetria de exploração diferencial (DSC), a análise termomecânica (TMA), e análise mecânica dinâmica (DMA), são técnicas bem conhecidas para caracterizar a temperatura de transição dos materiais. Contudo, uma limitação séria de métodos térmicos convencionais é que dão somente uma resposta amostra-calculada a média e não podem fornecer a informação em defeitos localizados, nem podem dar as propriedades térmicas dos revestimentos/filmes menos do que alguns mícrons na espessura. Uma medida de DSC, por exemplo, pode indicar a presença de mais de uma fase, mas a técnica não pode geralmente dar nenhuma informação em relação ao tamanho ou à distribuição das fases. Isto impacta particularmente os cientistas que trabalham com misturas do polímero (onde as morfologias da mistura são cruciais a determinar suas propriedades materiais), revestimentos (onde as imperfeições tais como formações do gel podem seriamente impactar o desempenho), os filmes multilayer, e os compostos.

O AFM foi usado rotineiramente para caracterizar a topografia de tais materiais, assim como a distribuição de seus componentes. Em alguns tipos de amostras, o material, se conhecido, e seu formulário pode ser determinado da topografia ou da variação da propriedade mecânica revelada em imagens do AFM. Tradicional, isto foi realizado com um número de modos do microscópio da ponta de prova (SPM) da exploração, tais como a microscopia da força lateral (LFM), a modulação da força, e da fase de TappingMode imagem lactente. Mais recentemente, a introdução de HarmoniX™ forneceu uma combinação original da imagem lactente a mais de alta resolução, rápida, nondestructive a imagem lactente quantitativa da propriedade mecânica. HarmoniX é ideal para traçar variações do nanoscale em propriedades mecânicas. Sempre Que os componentes ou os microphases exibem diferenças significativas em propriedades mecânicas, estas técnicas podem igualmente fornecer uma distribuição inequívoca do componente e da fase.

A vantagem da análise térmica do nanoscale (nTA) é que pode fornecer uma identificação material do nanoscale inequívoco mesmo na ausência das variações da propriedade mecânica. Permite a determinação de temperaturas de transição locais na superfície de uma amostra. Isto é realizado trazendo uma ponta de prova especializada no contacto com a superfície da amostra, aquecendo a extremidade do modilhão, e medindo sua deflexão usando a detecção padrão da deflexão de feixe do AFM. Durante a medida, a ponta de prova é guardarada em um lugar fixo na superfície da amostra. Como o modilhão e, por sua vez, a amostra aqueça acima, a amostra expandirá, levantando a ponta de prova e causando um aumento no sinal vertical da deflexão. Em uma temperatura de transição, o material tipicamente amaciará tais que a força aplicada pelo modilhão pode deformar a superfície da amostra, permitindo que a ponta de prova penetre a amostra e diminuindo a deflexão do modilhão. A mudança na inclinação do sinal da deflexão é uma indicação de uma transição térmica. Esta técnica é similar à técnica maioria da análise térmica, Análise Termomecânica (TMA), mas pode determinar a temperatura de transição de uma amostra localmente no micro e mesmo no nanoscale. A temperatura de transição como medida pelo nTA correlaciona tipicamente bem com a temperatura de transição medida por técnicas maiorias, e pode conseqüentemente ser usada para identificar um material e para determinar se está em um formulário cristalino ou amorfo.

Os modilhões especialmente projetados do AFM usados para que a tecnologia incorporada nTA de MEMS crie um trajecto condutor através dos pés do modilhão e de uma alto-resistência repartem perto de sua extremidade. Isto faz com que a extremidade do modilhão aqueça-se acima quando a corrente corre através do trajecto condutor. O modilhão próprio é feito do silicone e o trajecto é criado implantando o silicone com as concentrações de entorpecente diferentes. Figura 1 mostra uma imagem de SEM da ponta de prova térmica usada no nTA. A ponta de prova tem um raio similar do prolongamento e da extremidade às pontas de prova gravadas padrão do silicone, permitindo a imagem lactente de alta resolução no modo de contacto ou no TappingMode. Porque o material é silicone lubrificado, o modilhão pode suportar umas correntes muito mais altas do que modilhões do filme do metal, e consegue conseqüentemente umas temperaturas muito mais altas. O aquecimento Verificável pode ser executado até as temperaturas tão altas quanto 350-400°C. A condutibilidade térmica alta do silicone permite as taxas de rampa muito de alta temperatura, alcançando a temperatura máxima em menos de 100 microssegundos, assim permitindo (produção alta e localizado) o aquecimento rápido da amostra. Um benefício adicional dos modilhões é sua capacidade para suportar o pulso que aquece-se em torno de 1000°C, que pode ser usado para limpar toda a contaminação que aderir ao vértice da ponta de prova.

Figura 1. Uma imagem de SEM da ponta de prova térmica microfabricated usada para medidas do nTA. Inserir é um zoom da ponta, que faz o contacto com a amostra surgir.

A variação da temperatura acessível com o nTA sonda, e a necessidade para o aquecimento localizado da amostra (assim limitando a condutibilidade térmica da amostra) faz à técnica do nTA um fósforo ideal para polímeros. Assim, as aplicações do nTA foram centradas sobre materiais poliméricos e farmacêuticos. Seguir é um número de aplicações nestas áreas que mostram que o serviço público do nTA a caracteriza mais inteiramente um material no nano ou no microscale. Além, o uso das pontas de prova calorosos na microscopia da ponta de prova da exploração está continuando a desenvolver técnicas e aplicações novas e interessantes, da litografia do nanoscale à caracterização elétrica temperatura-dependente das amostras.

Misturas do Polímero

As misturas do Polímero são usadas em uma vasta gama de indústrias devido a ajustar-se da escolha componente apropriada directa possível das propriedades materiais. O AFM foi usado para ajudar a caracterizar o tamanho e a distribuição do domínio em uma vasta gama de amostras da mistura do polímero. Segundo as indicações de figuras 2 e 3, os domínios podem ser visualizados usando dados da topografia e imagem lactente da fase. Isto constitui um ponto de partida ideal para o nTA, que pode então ser usado para ajudar a identificar que domínio é qual, assim como se os domínios são inteiramente fase segregada ou são misturados. Desde Que as amostras nestas figuras são misturas immiscible, a pergunta preliminar é que material é qual.

Figura 2. (a) imagem de 4µm x de 4µm TappingMode AFM de um poliestireno - baixa-densitypolyethylene mistura (PS-LDPE). Os círculos vermelhos e azuis destacam o lugar utilizado para medidas de VITA nos domínios do PICOSEGUNDO e na matriz do LDPE, respectivamente. (b) Medidas do nTA de VITA que mostram reprodutìvel a temperatura de transição de vidro do PICOSEGUNDO dentro dos domínios e a transição de derretimento do LDPE na matriz, assim identificando a distribuição componente inequìvoca.

Figura 3. (a) imagem de 4µm x de 2µm TappingMode AFM de um óxido do polietileno - mistura syndiotactic do polipropileno (PEO-sPP) que mostra a topografia (deixada) e a fase (direita). O círculo vermelho destaca um domínio pequeno e o círculo azul destaca um domínio similar depois que a análise térmica nano foi executada. (b) Medida do nTA de VITA executada no lugar do círculo azul. A curva mostra uma temperatura de transição característica de PEO, seguido por uma transição do derretimento dos sPP. Aparentemente, as características pequenas visíveis nas imagens do AFM representam os domínios rasos de PEO que são atravessados prontamente, permitindo que a ponta de prova detecte o domínio pequeno de PEO e sendo a base da matriz dos sPP.

Todos os materiais nestas misturas (poliestireno, baixo-densidade-polietileno, óxido do polietileno, polipropileno syndiotactic) são relativamente duros em comparação com o modilhão na temperatura ambiente, assim que na identificação material baseada na variação da propriedade mecânica podem provar incerto. As temperaturas de Transição, por outro lado, diferem extremamente entre os componentes, permitindo a identificação componente directa usando o nTA. A Informações adicionais sobre a espessura do domínio pode ser recolhida no caso do óxido do polietileno - a mistura syndiotactic do polipropileno (PEO-sPP), onde a penetração da ponta de prova em domínios pequenos de PEO é considerada para ser seguida rapidamente pela penetração em uma matriz subjacente dos sPP.

Os dados do nTA apresentados aqui (figuras 2 e 3) foram gerados usando taxas de aquecimento do por segundo 5°C. Quando significativamente mais rapidamente do que as taxas de aquecimento empregadas tipicamente para a análise térmica maioria, esta taxa alta for típica para o nTA e permite o aquecimento localizado e a produção alta. A determinação inequívoca da distribuição da mistura mostrada em figura 2 era realizada dentro apenas de algumas actas. A instrumentação permite o ajuste da taxa de aquecimento sobre uma vasta gama a umas taxas de aquecimento mais lentas e significativamente mais rápidas, como necessário para a experiência.

Filmes Multilayer

Os filmes Multilayer representam uma escolha de material padrão para a maioria de aplicações de empacotamento. As camadas diferentes em um filme multilayer contribuem atributos diferentes ao filme final, incluindo propriedades físicas da rigidez e da barreira. Quando a análise térmica maioria puder ser usada para medir a pilha composta completa, o nTA permite o indivíduo, medidas térmicas in situ da propriedade dentro das camadas individuais. Isto permite a identificação de cada camada, assim como a identificação de defeitos individuais dentro de qualquer camada. Adicionalmente, a temperatura de transição dos filmes individuais pode ser traçada para detectar a presença possível de inclinações de temperatura da transição ou de heterogeneidade. Os inclinações Térmicos com a espessura do filme podem ocorrer durante o processamento do filme devido às diferenças na história térmica entre os dois lados. Figura 4 mostra um exemplo de um filme multilayer simples usado para o empacotamento de alimento. O filme center do álcool do vinil do etileno (EVOH) é usado como um filme da barreira e tem uma temperatura de transição mais baixa do que a camada adjacente do “laço” ou as camadas do polietileno high-density da parte externa.

Figura 4. (a) imagem da topografia de 25µm x de 12µm TappingMode de um filme multilayer cruz-seccionado usado para o empacotamento de alimento. (b) Dados do nTA de VITA que mostram transições térmicas distintas em cada camada. As curvas azuis foram obtidas nas camadas do empacotamento exterior (nos lados esquerdos e direitos da imagem do AFM) e exibem as altas temperaturas da transição indicativas do polietileno high-density. A curva verde era no centro a camada obtida (centro da imagem do AFM) e as exibições a temperatura de transição muito mais baixa característica do álcool do vinil do etileno (EVOH), uma escolha típica para uma camada de barreira. A curva vermelha com sua temperatura de transição intermediária foi obtida na camada fina que cerca a camada center.

Revestimentos

Os materiais poliméricos Orgânicos são amplamente utilizados como revestimentos em um número crescente de aplicações devido às oportunidades que fornecem ajustando o desempenho, em particular aparência e tais propriedades da superfície como a resistência de corrosão. Enquanto a escala de aplicações cresce e as exigências se transformam mais exigência, a complexidade de revestimento está aumentando e a espessura está diminuindo. Esta tendência para revestimentos finos, complexos impede da investigação com equipamento tradicional da análise térmica. Um desafio adicional elevara do foco recente na taxa de cura, onde os regulamentos e as considerações ambientais do custo de fabrico estão conduzindo uma minimização de tempo de secagem. Assim, a análise dos revestimentos exige cada vez mais a definição espacial e temporal.

A técnica do nTA cumpre todas as exigências impor por aplicações modernas do revestimento. Uma medida individual é executada dentro dos segundos, permitindo a quantificação dos tempos de cura que são actas na duração. A definição espacial do nanoscale tida recursos para pelo nTA estende a análise térmica a uns revestimentos mais finos, e deslocando a ponta de prova a uma distância pequena lateralmente após cada medida a um lugar imperturbado, ou heterogeneidade espaciais ou as dependências do tempo podem ser determinadas.

Figura 5 mostra uma aplicação do exemplo usando o nTA de VITA para identificar a distribuição dos materiais em um revestimento contínuo do lubrificante do dois-componente. Os dois materiais eram pulverizador depositado junto em uma carcaça de alumínio. Óptica, pareceu que o revestimento não era contínuo. Contudo, nem os dados ópticos nem do AFM podiam diferenciar os dois materiais. Usando o nTA, a superfície sem revestimento podia claramente ser identificada devido à falta da penetração da ponta de prova na superfície durante todo a variação da temperatura, como demonstrado com a curva verde nos dados de VITA. Os dois outros componentes podiam ser identificados por suas temperaturas de transição facilmente distinguidas de ~85°C contra ~125°C. Traçando um número de ilhas, igualmente mostrou-se que os dois componentes formados separam ilhas e não se misturaram.

Figura 5. Uma imagem óptica (direita) de um revestimento contínuo do lubrificante do dois-componente. Os círculos indicam os lugar onde os dados do nTA foram tomados, e as cores correlacionam com as curvas no gráfico (saiu). Os dados do nTA no gráfico identificam claramente os dois revestimentos diferentes por suas temperaturas de transição distintas. A ausência completa de temperaturas de transição na curva verde mostra que nenhum componente esta presente no lugar do círculo verde.

Conclusão

Permitindo a análise térmica do nanoscale, o módulo de VITA combina os mundos da microscopia e da análise térmica, assim revelando a distribuição espacial de propriedades e de heterogeneidade térmicas. Esta capacidade faz o acessório de VITA excepcionalmente valioso nas aplicações que variam da análise de misturas ou de compostos do polímero às medidas in situ de revestimentos finos. A técnica é tornada possível por uma ponta de prova térmica microfabricated que permita que os cientistas aqueçam amostras localmente e meçam propriedades térmicas das regiões no microscale do nanoand.

Esta informação foi originária, revista e adaptada dos materiais fornecidos por Superfícies Nano de Bruker.

Para obter mais informações sobre desta fonte visite por favor Superfícies Nano de Bruker.

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

Last Update: 23. January 2014 11:25

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