Our team is here to achieve your goals. Speak with our experts.

Polymerkrystallisering ved termisk analyse

Prinsipper og teknikker for nøyaktig polymerkarakterisering

Oversikt
FAQ
Applikasjoner
Publikasjoner
Relaterte produkter

Polymer krystallisering

Polymerkrystallisering er en kompleks prosess som skjer enten når en polymer størkner fra smelten eller varmes opp rundt glassovergangstemperaturen ( _Tg ). Under denne prosessen organiserer polymermolekylene seg i et regelmessig, repeterende mønster kjent som en krystallstruktur. Denne strukturen er svært velordnet og gir polymeren forbedrede mekaniske egenskaper som økt styrke og stivhet.

Det er flere faktorer som kan påvirke polymerkrystallisering, inkludert polymerens molekylvekt, kjemiske struktur, prosessforhold og tilstedeværelsen av tilsetningsstoffer.

Termisk analyse er et nyttig sett med teknikker som kan bidra til å forstå krystalliseringsatferden til polymerer. Det kan gi innsikt i egenskapene til den endelige polymeren samt detaljert informasjon om de fysiske og kjemiske prosessene som driver krystalldannelsen.

Krystallisering av polymerer, så vel som andre materialer, skjer mellom glassovergangen (T _g ) og smeltetemperaturen (T _m ). I dette temperaturområdet er det nok molekylær bevegelse til at de krystallinske domenene kan dannes. Denne prosessen kan finne sted under oppvarming (kald krystallisering) eller under avkjøling fra smelten. Krystallstørrelsen, formen og prosentandelen avhenger alle av oppvarmings- og avkjølingshastighetene på materialet.

Ulike teknikker kan brukes for å bestemme krystalliseringen av materialer, inkludert Differential Scanning Calorimetry (DSC), Thermomechanical Analysis (TMA), Dynamic Mechanical Analysis (DMA), Flash Differential Scanning Calorimetry (FDSC) og Hot-stage microscopy (TOA).

TA-teknikk	Målte egenskaper	Kommentarer
Differensiell skanningkalorimetri (DSC)	Latent varme på grunn av krystallisering og smeltehendelser som en funksjon av tid og temperatur.	Den målte latente varmen under krystallisering er proporsjonal med krystallinitet.
Flash Differential Scanning Calorimetry (FDSC)	Ligner på DSC, men kan etterligne prosesseringsforhold på grunn av ultraraske oppvarmings- og kjølehastigheter.	Flash DSC måler ved raske oppvarmings- og avkjølingshastigheter (flere tusen K/s) eller raske isotermiske prosesser (i ms- og s-området).
Termomekanisk analyse (TMA)	Dimensjonsendringer forårsaket av tetthetsfluktuasjoner, sammentrekning eller ekspansjon.	Dimensjonsendringer måles vanligvis i bare én retning. Derfor er den målte endringen ikke proporsjonal med krystallinitet.
Dynamisk mekanisk analyse (DMA)	Mekanisk modul og prøvestivhet.	Modulen øker under krystallisering. Denne teknikken er veldig følsom, men ikke proporsjonal med krystallinitet.
Varmtrinnsmikroskopi (TOA)	Visuell observasjon av krystalldannelse eller transformasjon av fast stoff.	Krystallsåing og dannelse kan observeres i sanntid for å hjelpe til med å evaluere dato og trekke konklusjoner.

For mer informasjon, se nærmere på Thermal Analysis in Practice Handbook

Krystallstrukturer

Polymer krystallisering

Et molekyl, materiale eller biomolekyl (som et protein) kan eksistere i tre forskjellige tilstander, som vist på bildet ovenfor:

Amorf : ingen ordnet struktur
Semi-krystallinsk : små eller store krystallinske domener som er forbundet med amorfe seksjoner
Krystallinsk : et fullstendig krystallinsk materiale

Polymere materialer faller inn i to av disse kategoriene: amorfe eller semi-krystallinske. Det er umulig å ha en polymer som er 100 % krystallinsk på grunn av den molekylære mobiliteten som kreves for at en polymer skal nå denne tilstanden.

Lær mer om hvordan termisk analyse brukes for karakteriseringspolymerene.

Viktige bruksområder for termisk analyse av polymerer

Hvis du er interessert i krystallisering og nedbør fra en løsning, har vi også mange applikasjoner for deg,

Krystallisering og nedbør

Krystallisering ved DSC

Differensiell skanningkalorimetri (DSC) er en kraftig måleteknikk som brukes i mange analytiske laboratorier, for både QC og FoU. Den måler varmestrømmen som produseres i en prøve når den enten oppvarmes, avkjøles eller holdes isotermisk ved en konstant temperatur.

DSC kan måle krystalliseringen av en polymer under både oppvarmings- og avkjølingsmålinger, samt undersøke effekten av ulike kjølehastigheter på krystallisering.

I dette eksemplet går polyetylentereftalat (PET) gjennom en varme-kjøling-oppvarmingssyklus. Under den første oppvarmingen krystalliserer polymeren før smelting, noe som indikerer at det var et stort sett amorft materiale. En gang i smelten avkjøles PET, og krystallisering skjer igjen ved en litt høyere temperatur. Ved den andre oppvarmingskjøringen er det ingen krystalliseringstopp fordi PET nådde maksimal krystallinitet under kjølesyklusen.

Se hele webinaret om polymerkrystallisering:

Polymerkrystallisering undersøkt av DSC og Flash DSC

Oppvarming og kjøling av PET med DSC

Krystallisering ved TMA

Termomekanisk analyse (TMA) måler dimensjonsendringene i et materiale. TMA gir karakteristisk informasjon om mange typer prøver, for eksempel svært tynne lag, store prøvesylindre, fine fibre, filmer, plater, myke eller harde polymerer og enkeltkrystaller.

Siden tettheten av materialer endres under krystallisering, er TMA et nyttig verktøy for å bestemme krystalliseringsoppførselen til polymerer. En gang kan vi bruke PET som eksempel. Når PET varmes opp, passerte den gjennom glassovergangen (Tg) ved ca. 80 °C, en ekspansjon observeres. Deretter begynner polymeren å trekke seg sammen (110 °C), dette er begynnelsen av krystallisering. I polymerer forårsaker krystallisering en krymping av materialet og polymerkjedene ordner seg i ordnede krystallinske domener.

Lær mer om hvordan TMA brukes til å bestemme krystalliseringsatferd.

Karakterisering av PET av TMA

Krystallisering ved DMA

Dynamisk mekanisk analyse (DMA) er en viktig teknikk som brukes til å måle de mekaniske og viskoelastiske egenskapene til materialer som termoplast, herdeplast, elastomerer, keramikk og metaller. DMA måler modulen som en funksjon av tid eller temperatur og gir informasjon om faseoverganger.

Nok en gang kan vi se på PET som et modellsystem. Det kan sees at når temperaturen endres, endres modulen også. Krystalliseringen av PET er indikert ved en økningsmodul ved 110 °C når polymerkjedene ordner seg i en mer ordnet krystallstruktur.

Se DMA on demand-webinaret for mer innsikt om hvordan DMA brukes til å bestemme krystalliseringsadferden til materialer.

Karakterisering av PET ved DMA

Krystallisering ved Hot Stage Microscopy

Varmtrinnsmikroskopi er en metode som er mye brukt for å visuelt undersøke alle slags termiske overganger når prøven varmes eller avkjøles.

Å observere prøven din under et mikroskop mens den varmes eller avkjøles kan være et verdifullt hjelpemiddel for å evaluere resultatene og forstå hva som faktisk skjer i prøven.

Les et søknadsnotat om hvordan Hot Stage kan hjelpe til med kurveanalyse og datatolkning.

30 °C Faste krystaller

89 °C Under smelting

95 °C Nesten smeltet

104 °C Krystallisering og fordampning

120 °C Krystallisering nesten fullført

185 °C Begynnelsen av smeltingen av anhydridet

Krystallisering av Flash DSC

Flash DSC revolusjonerer hurtigskanning DSC. Instrumentet kan analysere omorganiseringsprosesser som tidligere var umulige å måle. Oppvarmings- og kjølehastigheter dekker nå et område på mer enn 7 tiår, noe som gjør at påvirkningen av disse hastighetene kan undersøkes.

De ultrahøye oppvarmings- og kjølehastighetene gir en ny dimensjon til studiet av termisk induserte fysiske overganger og kjemiske prosesser, for eksempel krystallisering og omorganisering av polymerer, metaller og andre materialer.

Eksemplet ovenfor viser effekten av forskjellige oppvarmingshastigheter på krystallisering og omorganisering av polypropylen. Sanntidsbehandlingsforhold kan etterlignes med en Flash DSC.

Kalorimetri for rask skanning av brikke

Påvirkning av oppvarmingshastigheten

Krystallisasjonsentalpier for vanlige polymerer

Ulike polymerer har forskjellig krystalliseringsadferd og krystallisasjonsentalpier. Å ha en liste over krystallisasjonsentalpiene til vanlige polymerer innebygd i STARe-programvaren gjør det enkelt å sammenligne og identifisere prøvene dine. Denne typen brukervennlig informasjon er uvurderlig når du skal bestemme krystalliseringen av materialene dine.

Polymer	Akronym	Formel	Molekylmasse (g/mol)	ΔH _m (J/g) 100 %
Polyetylen, lav tetthet	PE-LD	_C2H4_{_}	28.1	293
Polyetylen, høy tetthet	PE-HD	_C2H4_{_}	28.1	293
Polypropylen	iPP	_C3H6_{_}	42.1	207
Polyoksymetylen	POM	CH ₂ O	30.1	330
Polyvinylidenfluorid	PVDF	C ₂ H ₂ F ₂	64,0	105

Oppdag alt STARe-programvaren, standarden innen termisk analyseprogramvare, har å tilby.

Tips og hint

For krystalliseringsbestemmelse er måling av termiske analysedata av god kvalitet en utfordrende oppgave. Likevel kan disse vanlige og nyttige teknikkene utnyttes med enkel prøveforberedelse, relativt kort måletid, god nøyaktighet og enkel evaluering ved bruk av kommersiell programvare.

Råd for å få best mulig måledata:

Stabiliser instrumentet før målingen.
Kontroller reproduserbarheten ved å bruke gjentatte målinger.
Gjennomsnitt av ulike mål forbedrer nøyaktigheten.
Plasser de rene diglene nøyaktig på sensoren.
Anbefaling for prøvestørrelse:
- DSC: 10 til 20 mg
- TMA: < 10 mm

Last ned heftet vårt for flere TA-tips og hint

FAQ

Hva er polymerkrystallisering?

Polymerkrystallisering er prosessen der polymermolekyler organiserer seg i et regelmessig, repeterende mønster kjent som en krystallstruktur når de størkner fra en flytende eller halvflytende tilstand.

Hvordan påvirker prosesseringsforholdene polymerkrystallisering?

Behandlingsforhold som temperatur, trykk og kjølehastighet kan alle påvirke hvordan polymermolekylene organiserer seg når de størkner. For eksempel kan rask avkjøling ofte forhindre dannelse av krystaller, mens langsom avkjøling kan fremme krystallvekst.

Hva er noen faktorer som kan påvirke polymerkrystallisering?

Flere faktorer kan påvirke polymerkrystallisering, inkludert polymerens molekylvekt, kjemiske struktur, tilstedeværelse av tilsetningsstoffer og prosessforhold.

Hvorfor er polymerkrystallisering viktig?

Polymerkrystallisering er viktig fordi det kan påvirke egenskapene og ytelsen til polymerer betydelig. Ved å forstå hvordan og hvorfor polymerer krystalliserer, kan forskere utvikle nye materialer med forbedrede egenskaper og ytelse.

Hva er kjernedannende midler, og hvordan påvirker de polymerkrystallisering?

Kjernedannende midler er tilsetningsstoffer som kan oppmuntre til krystalldannelse i polymerer. Ved å gi en overflate for polymermolekylene å organisere seg rundt, kan kjernedannende midler fremskynde krystalliseringsprosessen og fremme dannelsen av mindre, mer ensartede krystaller.

Hva er betydningen av polymerkrystallisering?

Polymerkrystallisering påvirker de fysiske, kjemiske og mekaniske egenskapene til polymermaterialet. Graden av krystallinitet og krystallstørrelse og form kan påvirke materialets termiske og mekaniske egenskaper, så vel som dets gjennomsiktighet og elektrisk ledningsevne.

Hvilke termiske analyseteknikker kan brukes for å bestemme krystallisering?

Avhengig av materialegenskapen som undersøkes, kan krystallisering bestemmes av et bredt spekter av termiske analyseteknikker. De vanligste teknikkene er differensiell skanningkalorimetri (DSC), termomekanisk analyse (TMA), dynamisk mekanisk analyse (DMA), hot-stage mikroskopi og Flash DSC.

Hvordan kan differensiell skanningkalorimetri (DSC) brukes til å studere polymerkrystallisering?

DSC kan brukes til å måle varmestrømmen assosiert med polymerkrystallisering. Ved å varme eller avkjøle en polymerprøve med en kontrollert hastighet, kan krystalliserings- og smeltetemperaturer og entalpier bestemmes.

Hva er betydningen av smeltetemperaturen målt med DSC?

Smeltetemperaturen målt med DSC er en viktig parameter for å karakterisere graden av krystallinitet til et polymermateriale.

Hva er effekten av kjølehastighet på polymerkrystallisering?

Avkjølingshastigheten kan påvirke graden av krystallinitet og krystallstørrelse og form av et polymermateriale. En raskere avkjølingshastighet kan resultere i en høyere grad av krystallinitet, mindre krystallstørrelse og mer homogen krystallfordeling.

Hvordan brukes hot stage mikroskopi for å karakterisere krystallisering av polymerer?

Varmtrinnsmikroskopi er en kraftig metode som er mye brukt for å visuelt undersøke fysiske overganger. Den kan brukes til å observere når en polymer begynner å krystallisere og formen på krystallene.

Hvordan brukes Flash DSC til å studere krystalliseringsadferden til polymerer?

Flash DSC bruker ultrahøye oppvarmings- og kjølehastigheter for å undersøke reorganiseringsprosesser av polymerer. Den kan brukes til å etterligne prosessforhold, for å karakterisere de endelige egenskapene til et materiale.

Hvordan kan termomekanisk analyse (TMA) brukes til å studere polymerkrystallisering?

TMA måler dimensjonsendringene til en prøve når den utsettes for et kontrollert temperaturprogram. Under polymerkrystallisering gjennomgår prøven endringer i lengde, tykkelse og volum på grunn av omorganiseringen av polymerkjeder ettersom de danner en mer ordnet krystallinsk struktur.

Hvordan kan dynamisk mekanisk analyse (DMA) brukes til å studere polymerkrystallisering?

DMA kan brukes til å måle endringer i de mekaniske egenskapene til en polymerprøve når den gjennomgår krystallisering. Denne teknikken kan gi informasjon om kinetikken og graden av krystallinitet til prøven.

Hva er effekten av termisk historie på polymerkrystallisering?

Den termiske historien til en polymer, inkludert prosessering og termisk behandling, kan påvirke graden av krystallinitet og krystallstørrelse og form. Termiske analyseteknikker kan brukes til å studere disse effektene.