Termická analýza Excellence

Transkript

1 Termická analýza Excellence DMA 1 Systém STAR e Moderní technologie Všestranná modularita Švýcarská kvalita Dynamická mechanická analýza Kompletní charakterizace materiálu

2 DMA Excellence Víceúčelová DMA dokonalé řešení pro analýzu materiálu Dynamická mechanická analýza (DMA) je důležitá technika používaná pro měření mechanických a viskoelastických vlastností takových materiálů jako jsou termoplasty, termosety, elastomery, keramika a kovy. V DMA je vzorek vystaven periodickému napětí v jednom nebo několika různých módech deformace. Analyzuje se amplituda síly a posunu a fázový posun jako funkce teploty, času a frekvence. Vlastnosti a výhody METTLER TOLEDO DMA 1: Flexibilní polohování měřicí hlavy měření ve všech deformačních módech i v kapalinách nebo při různých úrovních relativní vlhkosti Snadná obsluha umožňuje rychlou výměnu deformačních módů TMA měření pro měření koeficientu roztažnosti, efekty způsobené creepem a relaxační časy Vlhkostní modul pro sorpční a desorpční měření Ergonomický design s velkým dotykovým displejem pro pohodlné upnutí vzorků a monitorování měření Široký teplotní rozsah od 190 C do 600 C Mimořádně efektivní a ekonomické chlazení šetří drahocenný čas a významně snižuje spotřebu kapalného dusíku Unikátní vlastností DMA 1 je jeho otáčivá měřicí hlava. Měření může být prováděno ve všech standardních deformačních módech, i v kapalinách nebo při definovaných úrovních realtivní vlhkosti. 2

3 Nepřekonatelná všestrannost optimální konfigurace pro všechny aplikace Nepřekonatelná všestrannost DMA 1 umožňuje provádění aplikací při optimální konfiguraci měření. DMA 1 lze velice rychle a snadno upravit, ať už pro konvenční DMA analýzy nebo pr experimenty používající statické síly nebo měření v kapalinách. Měření za řízené relativní vlhkosti Modul Humidity se skládá ze speciální vlhkostní komory, cirkulační ohřívací lázně a generátoru vlhkosti. Umožňuje provádět měření za optimálních podmínek ve všech deformačních módech. Po instalaci vlhkostní komory není nutné žádné přejustování systému. Měření se statickými silami Kromě dynamického módu umožňuje DMA 1 provádět měření pomocí statických sil (TMA mód). Pro DMA 1 mohou být použity všechny deformační módy. Typická TMA aplikace obsahuje: Stanovení koeficientu teplotní roztažnosti Měření creepu a zotavení Diagramy napětí-deformace Diagramy deformace-relaxace Teploty měknutí materiálů Měření v kapalinách Modul Fluid Bath umožňuje provádění DMA nebo TMA experimentů v kapalinách s využitím všech standardních deformačních módů. Celý držák vzorku a vzorek jsou ponoření do kapaliny. Modul Fluid Bath se skládá ze speciální ponorné lázně a externí regulace teploty pomocí cirkulační lázně nebo chladiče. 3

4 Inovace Rychlé výsledky díky mnoha inovacím Pohodlné upínání vzorků Měřicí hlava může být umístěna v mnoha pohodlných pozicích pro instalaci držáků vzorků a pro uchycení vzorků. Poté je nastavena do optimální pozice pro měření v jednotlivých deformačních módech. Aktuální orientace měřicí hlavy je pak automaticky detekována indikátorem pozice. I když jsou pozice odlišné, systém nevyžaduje žádné kalibrace ani justování. Kompletní termoanalytický systém Kompletní termoanalytický systém se skládá ze čtyř různých měřicích technik. Každá z nich charakterizuje vzorek svým vlastním specifickým způsobem. Kombinace všech čtyř výsledků dává kompletní obrázek a zjednodušuje interpretaci. DMA měří mechanický modul, DSC a Flash DSC tok tepla, TGA hmotnostní křivku, a TMA délkové změny. Všechny tyto veličiny jsou funkcí času. DMA DSC Flash DSC TGA TMA 4

5 Perfektní konstrukce do posledního detailu Dotykový displej DMA 1 Dotykový displej umožňuje vizuální kontakt s přístrojem i z větší vzdálenosti a má dvě velmi důležité funkce: Zobrazuje aktuální posun pružiny při instalaci držáku vzorku a při upínání vzorku. Tím chrání celý měřicí systém a zajišťuje, že se při upínání vzorku nic nepoškodí. Monitoruje sinusovou excitační funkci. To je mimořádně důležité, obzvláště na začátku měření. Ukazuje vám zda byl vzorek řádně upnut do držáku vzorku. Titanové vzorkové svorky Vzorkové svorky jsou mimořádně důležité pro přesná měření. DMA 1 svorky jsou vyrobeny ze speciální titanové slitiny. Díky tomu získávají následující výhody: Přirozená rezonanční frekvence systému je posunuta k vyšším frekvencím díky nižší hmotnosti svorek. Svorky jsou vysoce odolné korozi, protože titan tvoří při kontaktu se vzduchem inertní vrstvičku oxidu. Tato skutečnost je mimořádně výhodná zvláště pro měření v kapalinách. Svorky také mohou být ohřívány nebo chlazeny rychleji, protože tepelná vodivost titanu je lepší, než u většiny jiných potenciálně vhodných materiálů. Příslušenství Sady příslušenství Accessory Box obsahuje všechny držáky vzorku a vzorkové svorky potřebné pro instalaci držáků vzorku a teplotního čidla. Sada Calibration Box obsahuje všechny materiály potřebné pro provádění jednotlivých teplotních justování. To je klíčový faktor pro dosažení přesných a spolehlivých výsledků měření. 5

6 Spolehlivý, prvotřídní výkon v celém teplotním rozsahu Švýcarská kvalita Princip měření V dynamické mechanické analýze (DMA) je vzorek podroben oscilující síle a výsledkem je naměřená amplituda posunu. Fázový posun mezi působící silou a signálem posunu je odvozen z časového zpoždění mezi oběma naměřenými křivkami. Vysoce přesné měření posunu Klíčovou komponentou DMA 1 je LVDT (Linear Variable Differential Transformer). LVDT měří délkové změny v celém měřicím rozsahu ±1 mm se středním rozlišením 2 nm. Je umístěn blízko vzorku, aby se minimalizovaly jakékoliv vlivy způsobené deformací měřicího systému. Tím se zlepšuje přesnost měření časového zpoždění (fázový posun) mezi silou a posunem. Legenda 1 LN 2 vstup/výstup 2 Topný prvek 3 Držák vzorku 4 Vzorek 5 Hnací hřídel 6 LVDT senzor posunu 7 Hnací motor 8 Vedení hnací hřídele (pružina) Vzorky s Pt100 Pt100 teplotní čidlo je umístěno co nejblíže vzorku. Teplotní justování v požadovaném deformačním módu zajišťuje, že teplota je měřena správně. 6

7 Optimalizované držáky vzorku Pohodlná a snadná manipulace DMA 1 nabízí výběr ze šesti různých deformačních módů. Nejvhodnější deformační mód pro určitou aplikaci závisí na požadované informaci a povaze a geometrii vzorku. Tuhost vzorku musí být zvolena tak, aby byla znatelně nižší, než je tuhost vlastního měřicího systému. Všech šest měřicích módů může být použito pro dynamická a statická měření. A B C D E F Důležitým aspektem systému držáku vzorku je jednoduchost, se kterou může být délka vzorku v držáku vzorku nastavena. Příslušná délka může být nastavena v krocích 2.5 mm od minimální délky definované v jednotlivých módech a ž po maximální délku. Délka vzorku může být také pomocí speciálních šroubů nastavena spojitě. Různé deformační módy 3-bodový ohyb (A): Tento mód se používá pro přesná měření velice tuhých vzorků, jako jsou kompozitní materiály nebo termosety, zvláště pod teplotou skelného přechodu. Je také velice významný pro TMA měření. Single cantilever ohyb (B): Tento mód je vynikající pro materiály ve tyčinky (kovy, polymery), které vykazují velmi vysoký stupeň tuhosti. Single cantilever je ideální metodou pro měření pod teplotou skelného přechodu a je doporučeným módem pro stanovení ztrátového faktoru (tan delta) práškových materiálů. Dual cantilever ohyb (C): Tento mód je vhodný pro měkčí materiály s nižším stupněm tuhosti, obzvláště pro velice tenké vzorky, jako jsou fólie. Tah (D): Toto je běžný deformační mód pro vlákna. Je také velice důležitý pro TMA měření. Tlak (E): Kompresní mód se používá pro měření pěn, gelů a potravin a pro měření se statickou silou (TMA). Smyk (F): Smykový mód je ideální pro měkké vzorky, jako jsou elastomery, lepidla citlivá na tlak a pro studium vytvrzovacích reakcí. Deformační mód Max. efektivní délka vzorku (mm) Max. efektivní šířka vzorku (mm) Standardní pozice hlavy (bez kapaliny) Single cantilever ohyb horizontální Dual cantilever ohyb horizontální 3bodový ohyb vertikální (nahoru) Tah horizontální Deformační mód Max. průměr vzorku (mm) Max. tloušťka vzorku (mm) Standardní pozice hlavy (bez kapaliny) Smyk horizontální Tlak vertikální (nahoru) 7

8 Nepřekonatelný chladicí výkon ušetří drahocenný čas Teplotní rozsah a chladicí moduly Chladicí výkon systému DMA 1 je je impozantní. Dokáže zchladit vzorek z pokojové teploty až na 190 C ze méně než 10 minut při mimořádně nízké spotřebě kapalného dusíku méně než 1 litr pro 3 chladicí cykly na 100 C. Tím se ušetří jednak čas a jednak náklady, protože zásobník nemusí být doplňován tak často. Hlavní výhodou je zvýšený počet naměřených vzorků. Pokud měření začíná při pokojové teplotě (RT), DMA 1 může být používáno bez chladicího mudulu. LN 2 chlazení 1 litr-dewar 35 litrů-dewar Teplotní rozsah 190 C až 600 C 190 C až 600 C Spotřeba LN 2 pro jedno chlazení z RT <1 litr LN 2 ~1.8 litr LN 2 na 190 C Spotřeba LN 2 pro jedno chlazení z n RT <0,3 litr LN 2 <0,4 litr LN 2 na 100 C Čas pro chlazení z RT na 190 C <10 min <15 min Moduly DMA měření TMA měření Relativní vlhkost Kapaliny DMA základní přístroj Všechny módy Všechny módy Všechny módy Všechny módy Chladicí modul 1 litr Dewar Chladicí modul 35 litrů Dewar Vlhkostní komora Generátor vlhkosti Lázeň s kapalinou Cirkulační lázeň nebo chladič 8

9 Flexibilní DMA pro DMA a TMA měření Teorie DMA Modul je vždy vypočten z aplikované amplitudy síly, F a, naměřené amplitudy posunu, La, a fázového posunu δ mezi signálem síly a posunu. Typy modulů jsou následující: Komplexní modul, M*, (modul pružnosti, E*, pro tah; G* pro smyk) Elastický modul, M, (přímo úměrný energii akumulované elasticky a vratně) Ztrátový modul, M, (přímo úměrný energii přeměněné na teplo a nevratně ztracené) Hodnota modulu může být použita pro výpočet ztrátového faktoru (tanδ), který odpovídá poměru M k M. Zcela elastické materiály mají ztrátový faktor 0, zatímco zcela viskózní materiály mají ztrátový faktor nekonečně velký (δ= 90 ). Moduly jsou vypočteny z naměřené tuhosti vzorku S (N/m) an geometrického faktoru g. S je veličina aktuálně měřená. M = M* cos δ M = M* sin δ tan δ = M / M M* = S*g = F a /L a *g; tvrdost S = F a /L a Force Sílain N Force in N Displacement in µm Síla N Posunutí v μm Time Čas in s Síla a posun při frekvenci f, 1Hz. Fázový posun δ, může být vypočten z časového zpoždění, použitím rovnice δ = 2πf. Termomechanická měření Konstrukce DMA 1 umožňuje jeho použití pro TMA měření (použití statické síly). Držáky vzorků a vzorkové svorky jsou instalovány úplně stejným způsobem, jako pro standardní DMA měření. Některé speciální typy TMA měření zahrnují: Creep/zotavení Vzorky jsou náhle podrobeny vysoké statické síle. Po uplynutí určitého času je tato síla odstraněna a měří se zotavení vzorku jako funkce času. Diagram napětí-deformace Měří se tah (síla působící na jednotku plochy vzorku) a výsledná deformace a vynesou se do grafu. Ve většině případů je počáteční část křivky lineární pro nízkou úroveň deformace. Pro větší úroveň deformace je chování mnohem složitější a už není lineární až do bodu, kdy se vzorek zlomí. Diagram deformace-relaxace Tato izotermní měření ukazují, jak rychle se materiál deformuje pod statickou silou před dosažením stavové rovnováhy. Výsledkem je relaxační čas. AGC Thermal Book 20% Analysis Cyan Application Handbook Thermal Analysis in Practice Collected Applications Významné servisní služby Společnost METTLER TOLEDO je hrdá, že nabízí vynikající přístroje a podporu potřebnou, abyste byli úspěšní ve svém pracovním oboru. Naši vyškolení servisní technici a obchodníci jsou připraveni a k dispozici pomáhat vám všemi způsoby: Při servisu a údržbě Při kalibraci a justování Školením a aplikačním poradenstvím Kvalifikací zařízení METTLER TOLEDO poskytuje také komplexní literaturu aplikace pro termickou analýzu. 9

10 Široká škála aplikací DMA poskytuje odpovědi v mnoha aplikačních oborech DMA 1 je ideální přístroj pro použití pro dynamickou mechanickou analýzu a charakterizaci materiálů, dokonce i v kapalinách nebo při různých úrovních relativní vlhkosti. Usnadňuje velké množství aplikací a poskytuje cenné informace v kontrole kvality a v aplikovaném nebo základním výzkumu. Materiály jsou při praktickém používání vystaveny různým druhům deformací. Nejdůležitějšími faktory jsou časová závislost deformací, teplota a prostředí, ve kterém jsou tyto materiály deformacím vystaveny. Dynamická mechanická analýza umožňuje řešit takové problematiky, jako je stabilita, praktický rozsah použitelnosti, výrobní proces, kontrola kvality, poruchy materiálu a defekty. Nejčastěji analyzovanými materiály jsou polymery, jako jsou termoplasty, termosety, elastomery a lepidla, kovy, kompozitní materiály, barvy a laky, fólie a vlákna, konstrukční materiály, farmaceutické výrobky a potraviny. Mohou být v pevném nebo vysoce viskózním stavu. Efekty a vlastnosti, které mohou být charakterizovány pomocí DMA 1 systému: Viskoelastické chování Relaxační chování Skelný přechod Mechanické moduly Tlumicí vlastnosti Měknutí Viskózní tok Krystalizace a tavení Gelovatění Fázové přechody Složení směsí Vytvrzování a polymerační reakce Defekty materiálu Efekty způsobené plnivy 10

11 Kompozitní materiály Kompozitní materiály vyrobené z plněných zesíťovaných polymerů mají vysoký elastický modul při teplotách, při kterých se obvykle používají. Modul se většinou stanovuje 3bodovým ohybem. Horní křivka zobrazuje elastický modul desky plošného obvodu. Hodnota naměřená při teplotě 70 C a frekvenci 1 Hz byla 21,1 GPa. Křivka také zobrazuje proces měknutí při skelném přechodu, kde modul klesl pod hodnotu 5 GPa. Tento krok v elastickém modulu odpovídá píku na křivce ztrátového faktoru tan delta. Fázové přechody PTFE DSC křivka PTFE vykazuje fázové přechody při teplotách kolem 100 C a +30 C a také tání při 327 C. Fázové přechody mohou být také měřeny pomocí DMA v tenzním módu. Skelný přechod je navíc sledován také při teplotě +130 C. Přechodové teploty naměřené dvěma metodami tak vykazují vynikající shodu. PET fólie Graf zobrazuje DMA křivky PET fólie měřené v tenzím módu při frekvenci 1 Hz. Křivky podobné těmto se často využívají pro účely kontroly kvality. Díky krystalizaci je změna v modulu při skelném přechodu mezi teplotami 80 a 150 C pouze asi jeden řád. Modul vykazuje další pokles hodnoty při začátku tání při teplotě 230 C. Křivka tan delta vykazuje relaxační pík v oblasti skelného přechodu. Spodní křivka je naměřena v TMA módu a zobrazuje změnu v délce fólie. Směrnice se mění při onsetu teploty skelného přechodu 95 C. Smrštění fólie nastává mezi 210 a 230 C. 11

12 Styrene-butadiene rubber Styren-butadienová pryž (SBR) se používá pro výrobu automobilových pneumatik a těsnění. Vzorek SBR byl měřen při frekvencích 1, 2 a 5 Hz v módu single cantilever. Skelný přechod nastává při teplotě asi 20 C a definuje spodní teplotní hranici použití tohoto materiálu. Křivky tan delta také jasně dokladují frekvenční závislost skelného přechodu. Při vyšších frekvencích se skelný přechod posouvá k vyšším teplotám. Modul pružnosti se během skelného přechodu mění asi o dva řády. Vliv relativní vlhkosti Kopolymer etylenvinyl alkohol (EVOH) se často používá při výrobě balicích fólií pro potraviny, protože má vynikající bariérové vlastnosti vzhledem ke kyslíku a vodním parám. Protože EVOH je hygroskopický a voda působí jako změkčovadlo, bariérové vlastnosti fólie jsou ovlivněny obsahem vody. Izotermní DMA měření při 50 C ukazují, že zvýšení relativní vlhkosti vede ke snížení elastického modulu pružnosti. Pík na tan delta křivce je způsoben snížením teploty skelného přechodu zvýšením relativní vlhkosti. Protože skelný přechod je frekvenčně závislý, pík naměřený při nižší frekvenci se se objeví při nižší relativní vlhkosti. Polyamidové vlákno ve vodě Mechanické vlastnosti materiálů se mohou dramaticky změnit při kontaktu s kapalinami. Polymery v některých kapalinách tvrdnou a křehnou, zatímco jiné kapaliny působí jako změkčovadla. DMA 1 umožňuje měření mechanického chování vzorků při plném ponoření v kapalině. Uvedený příklad ukazuje měření polyamidového vlákna ve vodě při teplotách 20 C a 40 C. Teplota skelného přechodu klesá díky absorpci vody. Křivky modulu ukazují, že proces změkčování probíhá rychleji při teplotě 40 C než při teplotě 20 C. 12

13 Silikonová pryž Vulkanizační proces přeměňuje viskózní kapalinu na kaučukovitou pevnou látku s nízkým modulem. Tato změna v materiálových vlastnostech je zcela evidentní z DMA křivek. Obrázek vlevo zobrazuje křivky modulu a tan delta silikonové pryže měřené ve smykovém módu při frekvencích 1 Hz a 10 Hz. Vulkanizace probíhá mezi teplotami 80 C a 90 C. Křivky ukazují, že modul pružnosti během vulkanizace stoupá, zatímco tan delta vykazuje značný pokles. Materiál je daleko více elastický po vulkanizaci, než před ní. Křivky napětí-deformace Kvazi statické mechanické vlastnosti přes velký rozsah deformací jsou často stanovovány měřením křivek napětí-deformace v tenzním módu. Graf zobrazuje naměřenou křivku vzorku staré styren-butadienové pryže (SBR) při 40 C. Při nízké úrovni deformace vykazují napětí a deformace lineární závislost. Směrnice křivky v lineární oblasti až do asi 2 % deformace je modul pružnosti, 1,7 MPA. V nelineární oblasti je křivka plošší a modul klesá. Maximum křivky se nazývá mez kluzu. Creep behavior Vlastnosti zotavení elastomerů jsou naprosto základní pro jejich použití jako těsnění. Měřený vzorek byl butylová pryž (IIR). Zpočátku byla aplikovaná síla 0,05 N. Pak byla náhle zvýšena na 1 N. Výsledná deformace se skládá ze tří složek: okamžité elastické deformace, časově závislé viskoelastické deformaci a viskóznímu toku. Zbytková deformace, která zůstává po odstranění působení síly, je permanentní deformace způsobená viskózním tokem. Elastomery podobné tomuto mají pouze omezené použití jako ucpávky a těsnění. 13

14 DMA 1 specifikace Teplota Teplotní rozsah 190 C až 600 C Technické rozlišení 0.1 K Teplotní přesnost 0.75 K Rychlost ohřevu 0.1 K/min až 20 K/min Rychlost chlazení 0.1 K/min až 30 K/min Síla Rozsah síly Technické rozlišení Citlivost Posun Rozsah posunu Technické rozlišení Citlivost ±0.001 N až ±10 N 0.25 mn 1 mn ±1 mm 2 nm 30 nm Tuhost Rozsah tuhosti 50 N/m až 10 5 N/m Přesnost 0.50% Tan delta Tan delta rozsah až 50 Technické rozlišení Citlivost Frekvence Frekvenční rozsah Technické rozlišení Přesnost Frekvenční módy Maximální délka vzorku Délka vzorku Hz až 300 Hz Hz Hz Logaritmický nebo lineární sken Multi-frequency (sequentially) 55 mm Modul Fluid Bath Teplotní rozsah 20 C až 80 C Modul Humidity Teplotní rozsah 5 C až 85 C Rozsah vlhkosti 5 % RH až 85 % RH Schválení IEC/EN :2001, IEC/EN :2003 CAN/CSA-C22.2 No & UL Std. No (2. vydání) IEC :2005 / EN :2006 (třída B) IEC :2005 / EN :2006 (průmyslové prostředí) FCC, část 15, třída A AS/NZS CISPR 22, AS/NZS Značka shody: CE Pro více informací Česko Slovensko Mettler-Toledo, s. r. o. Třebohostická 2283/2, Praha 10 Tel.: , Fax: Servis: , sales.mtcz@mt.com Mettler-Toledo s. r. o. Hattalova 12, Bratislava Tel.: , 22, Fax: Servis: , predaj@mt.com Technické změny vyhrazeny Vytištěno v České republice Certifikát kvality. Vývoj, výroba a testování ve shodě ISO Systém ochrany životního prostředí podle ISO Evropská shoda. Značka shody CE vám poskytuje jistotu, že naše výrobky jsou v souladu s nejnovějšími směrnicemi EU.