Microscopia de transição de temperatura - Sondagem em nanoescala Propriedades Térmicas de Materiais Poliméricos por Anasys Instruments

Temas Abordados

Introdução
Alta resolução espacial mapeamento de propriedades térmicas através TTM
Exibe plana Painel
Caracterização de Filmes BOPP para Embalagens
Análise de Defeitos em Processamento de compósitos reforçados por fibras
In-Situ tempo resolvido Superfície Medições
Taxa de cura-Medidas em formulações de revestimento
Medidas de superfície Propriedade de Efeitos Weathering em Revestimentos
Conclusão
Agradecimentos

Introdução

Uma séria limitação convencional granel métodos térmicos como DSC, TMA e DMA é que eles podem apenas uma medida de resposta de amostra-média e não pode oferecer informações específicas sobre defeitos localizados, estruturais não-uniformidades ou heterogeneidades químicas, nem podem dar dados de propriedades térmicas de revestimentos ou superfícies de filmes ou interfaces que são menos de alguns mícrons de espessura.

TTM estende em um modo de imagem ou microscopia, a técnica de medição de corrente ponto de análise térmica em nanoescala (nano-TA) que faz uso de uma sonda térmica para localmente aquecer a superfície de uma amostra ao mesmo tempo, monitorar a suavização da superfície da amostra sob a aquecida sonda. O nano-TA técnica é semelhante à análise termomecânica (TMA) com a importante diferença que em vez de aquecer a amostra inteira, como é feito em um experimento TMA, nano-TA sondas a resposta térmica do material em contato com a sonda e, portanto, localmente pode determinar a temperatura de transição da amostra no micro ou nanométricas. Parcelas TTM um conjunto de nano-TA medições para obter uma imagem ou um mapa das temperaturas de transição em toda a região de interesse.

Figura 1. Imagem SEM do microfabricated sonda térmica em nanoescala (com raio da ponta <30nm) utilizado para nano-TA e medições TTM. A inserção é um zoom da ponta que faz contato com a superfície da amostra. Por causa de seu pequeno tamanho, a temperatura da sonda pode ser alterado rapidamente para permitir uma rápida, bem como fornecer uma ampla gama de experimentos de taxa variável de aquecimento. Taxas de aquecimento pode variar de 5 ° C / min a 10.000 ° C / s.

O princípio básico de Microscopia Temperatura de Transição é descrito na figura 2. Em cada ponto de interesse na amostra, a sonda é colocada em contato com a superfície da amostra e aquecida, ao mesmo tempo monitorar a expansão térmica da amostra sob a sonda. A uma temperatura de transição, suaviza a superfície da sonda permitindo a penetrar ligeiramente na amostra. A matriz de nano-TA medições são automaticamente analisados ​​para determinar a temperatura de transição em cada ponto ou pixel na região digitalizada. Em seguida, um mapa de cores falsas é criado, onde os pixels são sombreadas de acordo com as temperaturas de transição medido. O mapa espacial resultante permite a visualização de gradientes térmicos e pode detectar a presença de inomogeneidades em uma ampla gama de amostras.

Figura 2. Temperatura de transição Microscopia (TTM) variações mapas locais em temperaturas de fusão e temperaturas de transição vítrea. Uma sonda aquecida localmente mede a temperatura na qual amolecimento do material ocorre. Matrizes de medições podem ser feitas até a montagem de uma imagem espacialmente resolvidos da amostra.

Alta resolução espacial mapeamento de propriedades térmicas através TTM

Exibe plana Painel

Um polímero de múltiplas camadas a partir de um display líquido cristalino (LCD) foi microtomed, a fim de ter acesso a diferentes camadas na pilha de LCD e da superfície de corte foi então fotografada usando TTM. Figura 3A mostra uma imagem óptica, que revela a construção de múltiplas camadas da pilha de LCD que variam em tamanho de alguns mícrons de muitas dezenas de microns. Abaixo desta imagem é figura 3B, que é o correspondente código de cores de imagem TTM que é escalado para rastrear com a imagem óptica. Esta figura ilustra claramente a variação de propriedades térmicas entre as diferentes camadas que não são evidentes em microscopia óptica.

Figura 3. TTM medições de um filme LCD microtomed claramente resolve as camadas filme diferente (B) e permitir a comparação com imagens ópticas (A) e visualização da estrutura do composto na pilha de LCD que não é evidente em micrografias ópticas. (C) A análise dos dados na forma de um histograma gera um gráfico da distribuição de medidas de transições térmicas (B), que revelam o grau de uniformidade, bem como detectar a presença de heterogeneidades dentro das camadas de material

Caracterização de Filmes BOPP para Embalagens

Polipropileno biaxialmente orientado (BOPP) é amplamente utilizado na indústria de embalagens, com construções que podem ser termoadesivas selável ou não calor. Esses filmes podem ser compostos de uni ou multi-camadas de estruturas e têm espessura total típico de apenas 15-25 mM. Os filmes mais comuns consistem de múltiplas camadas de uma estrutura de três camadas: uma camada de núcleo de espessura que é composto de um homopolímero de polipropileno, imprensado entre duas finas camadas (geralmente de espessura ~ 1 Hm) da pele. No padrão de três camadas de estruturas, a camada de núcleo, principalmente proporciona rigidez do filme, enquanto que a pele fornece propriedades de selagem e / ou de superfície. Figura 4 é um exemplo de uma seção transversal de um filme de epóxi incorporado e demonstra uma in-situ localizados nano-TA medição da temperatura de transição da camada da pele, camada do núcleo e epóxi incorporação utilizados para apoiar o filme BOPP multicamadas.

Figura 4. Uma imagem AFM (esquerda) e nano-TA medições (direita) de um filme BOPP microtomed multilayer

Análise de Defeitos em Processamento de compósitos reforçados por fibras

TTM fornece uma nova janela analítico para o ensaio heterogêneo, fibra de estruturas reforçadas, já que a ligação interfacial é fundamental para o desempenho. Por exemplo, uma fibra de poliéster reforçado compósito foi preparado para análise transversal para medir a morfologia interna da fibra e diâmetros. Inspeção de seções transversais por microscopia óptica, mostrado na figura 5, revelou a presença de uma camada de pele ao redor da microfibras. O mapa identificou TTM a camada de pele como tendo uma temperatura de transição significativamente maior do que qualquer matriz ou fibra. Esta camada de pele mais tarde foi identificado como um artefato não-intencionais que foi formado durante o processo de incorporação de microfibra e foi o resultado do uso de resina epóxi "envelhecido" e catalisador que tinha hidrolisada durante o armazenamento.

Figura 5. Imagem microscópio óptico (à esquerda), TTM imagem (centro) e histograma (direita) de um ber fi reforçado amostra composta.

In-Situ tempo resolvido Superfície Medições

Taxa de cura-Medidas em formulações de revestimento

Automotive Refinish vernizes são reticuladas revestimentos que são geralmente curado por meio de uma reação entre dois ou mais componentes. Figura 6 demonstra como nano-TA pode ser usado para seguir a cinética de cura que ocorrem na superfície de revestimento. A temperatura de amolecimento pode ser facilmente medido a partir dessas curvas e se plotados contra tempos de cura (Figura 6B) fornece informações importantes sobre as taxas de reticulação e cinética de reação. A capacidade de medir cinética química abre novas oportunidades para explorar a FEITOS e de composição, aditivos e condições de processamento na velocidade de secagem de filmes e desenvolvimento de propriedades mecânicas de superfícies e interfaces. A capacidade de medir as taxas de processos químicos também pode produzir informações sobre o mecanismo de reação, estados de transição, bem como fornecer modelos matemáticos que podem ser usados ​​para quantificar e descrever as escalas de tempo das reações químicas.

Figura 6. Nano-TA medidas de um verniz medida em três vezes di fferent após a deposição (esquerda) eo enredo de abrandamento da temperatura versus tempo de cura (direita).

Medidas de superfície de Propriedade FEITOS E Weathering em Revestimentos

Fotodegradação e intemperismo ECTS e em revestimentos é outra área de potencial aplicação da nano-TA método. Revestimentos de poliuretano acrílico foram expostas 20 e 41 semanas para UV-A e UV-B. Amostras foram raspadas das superfícies e analisadas por DSC modulada (MDSC), enquanto nano-TA análise foi realizada, in situ, nas superfícies resistido. Fig. 7 mostra que nano-TA , devido à sua sensibilidade de superfície foi capaz de fornecer uma medida do fenômeno intemperismo, enquanto MDSC não poderia diferenciar a superfície da matriz.

Figura 7. Comparação das temperaturas de amolecimento medidos para exposta ao ar livre (0, 20 e 41 semanas) e ₂ claras TiO cheia (P25 e R9) revestimentos de uretano acrílico usando nano-TA e MDSC. Morfologia da superfície foi também analisada por microscopia eletrônica de varredura.

Conclusão

TTM é uma técnica que combina os benefícios e vantagens da microscopia com a tecnologia em nanoescala sonda térmica. Esta combinação facilita a caracterização de estruturas complexas, heterogêneas e múltiplas camadas, fornecendo alta resolução mapeamento de propriedade térmica. A capacidade de aquecer e testar regiões muito pequenos de uma superfície de amostra permite que a técnica TTM ser excepcionalmente valioso em aplicações que vão desde análise de defeitos de revestimento, para in-situ caracterização de compósitos reforçados e tempo resolvido medições dinâmicas para o projeto de revestimento.

Agradecimentos

Os autores expressam sua gratidão aos doutores. Aaron Forster e Stephanie Watson (NIST) para o fornecimento de resistida, poliuretano acrílico revestimentos. Agradecemos também o Dr. Deepanjan Bhattacharya e Mr. Chip Williams da Eastman Chemical para o fornecimento de vernizes de acrílico.

Fonte: Microscopia de transição de temperatura: Uma nova técnica de sondagem em nanoescala Propriedades Térmicas de Materiais Poliméricos
Autor: Kevin Kjoller, David Grandy, William King, Louis T. Germinario, Wolfgang Stein
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