Produkty a riešenia
Pri načítaní našej ponuky došlo k chybe. Prosím, načítajte stránku znova.
Odvetvie
Pri načítaní našej ponuky došlo k chybe. Prosím, načítajte stránku znova.
Servis a podpora
Pri načítaní našej ponuky došlo k chybe. Prosím, načítajte stránku znova.
Podujatia a odborné znalosti
Pri načítaní našej ponuky došlo k chybe. Prosím, načítajte stránku znova.
O nás
Pri načítaní našej ponuky došlo k chybe. Prosím, načítajte stránku znova.
Kontaktujte nás

Kryštalizácia polymérov pomocou termickej analýzy

Princípy a techniky presnej charakterizácie polymérov

Prehľad
ČASTO KLADENÉ OTÁZKY
Aplikácie
Publikácie na stiahnutie
Podobné produkty

Kryštalizácia polymérov

Kryštalizácia polymérov je zložitý proces, ktorý nastáva buď pri tuhnutí polyméru z taveniny, alebo pri zahrievaní okolo teploty sklovitého prechodu (T_g). Počas tohto procesu sa molekuly polyméru usporiadajú do pravidelného, opakujúceho sa vzoru známeho ako kryštálová štruktúra. Táto štruktúra je vysoko usporiadaná a poskytuje polyméru lepšie mechanické vlastnosti, ako je zvýšená pevnosť a tuhosť.

Existuje niekoľko faktorov, ktoré môžu ovplyvniť kryštalizáciu polyméru, vrátane molekulovej hmotnosti polyméru, chemickej štruktúry, podmienok spracovania a prítomnosti prísad.

Termická analýza je užitočný súbor techník, ktoré môžu pomôcť pochopiť kryštalizačné správanie polymérov. Môže poskytnúť pohľad na vlastnosti konečného polyméru, ako aj podrobné informácie o fyzikálnych a chemických procesoch, ktoré poháňajú tvorbu kryštálov.

Kryštalizácia polymérov, ako aj iných materiálov, prebieha medzi teplotou sklovitého prechodu (T_g) a teplotou topenia (T_m). V tomto teplotnom rozsahu je dostatočný pohyb molekúl na to, aby sa vytvorili kryštalické domény. Tento proces môže prebiehať počas zahrievania (studená kryštalizácia) alebo počas ochladzovania z taveniny. Veľkosť, tvar a percentuálne zastúpenie kryštálov závisí od rýchlosti ohrevu a chladenia materiálu.

Na určenie kryštalizácie materiálov možno použiť rôzne techniky vrátane diferenciálnej skenovacej kalorimetrie (DSC), termomechanickej analýzy (TMA), dynamickej mechanickej analýzy (DMA), bleskovej diferenciálnej skenovacej kalorimetrie (FDSC) a mikroskopie za horúca (TOA).

Technika TA	Merané vlastnosti	Poznámky
Diferenciálna skenovacia kalorimetria (DSC)	Latentné teplo spôsobené kryštalizáciou a topením ako funkcia času a teploty.	Namerané latentné teplo počas kryštalizácie je úmerné kryštalinite.
Flash diferenciálna skenovacia kalorimetria (FDSC)	Podobná ako DSC, ale môže napodobniť podmienky spracovania vďaka ultrarýchlemu ohrevu a ochladzovaniu.	Flash DSC meria pri rýchlych rýchlostiach zahrievania a chladenia (niekoľko tisíc K/s) alebo rýchlych izotermických procesoch (v rozsahu ms a s).
Termomechanická analýza (TMA)	Rozmerové zmeny spôsobené kolísaním hustoty, kontrakciou alebo expanziou.	Rozmerové zmeny sa zvyčajne merajú len v jednom smere. Preto nameraná zmena nie je úmerná kryštalinite.
Dynamická mechanická analýza (DMA)	Mechanický modul a tuhosť vzorky.	Modul sa počas kryštalizácie zvyšuje. Táto technika je veľmi citlivá, ale nie je úmerná kryštalinite.
Hot-stage mikroskopia (TOA)	Vizuálne pozorovanie tvorby kryštálov alebo premeny tuhej látky na pevnú.	Výsev a tvorbu kryštálov možno pozorovať v reálnom čase, čo pomáha vyhodnotiť dátum a vyvodiť závery.

Viac informácií nájdete v príručke Tepelná analýza v praxi

Kryštálové štruktúry

Kryštalizácia polymérov

Molekula, materiál alebo biomolekula (napríklad proteín) môže existovať v troch rôznych stavoch, ako je znázornené na obrázku vyššie:

Amorfný: bez usporiadanej štruktúry
Polokryštalický: malé alebo veľké kryštalické domény, ktoré sú spojené amorfnými časťami
Kryštalický: úplne kryštalický materiál

Polymérne materiály patria do dvoch z týchto kategórií: amorfné alebo polokryštalické. Nie je možné mať polymér, ktorý je 100 % kryštalický, vzhľadom na pohyblivosť molekúl potrebnú na dosiahnutie tohto stavu.

Prečítajte si viac o tom, ako sa termická analýza používa na charakterizáciu polymérov.

Základné aplikácie termickej analýzy polymérov

Ak vás zaujíma kryštalizácia a zrážanie z roztoku, máme pre vás tiež mnoho aplikácií,

Kryštalizácia a zrážky

Kryštalizácia pomocou DSC

Diferenciálna skenovacia kalorimetria (DSC) je výkonná meracia technika používaná v mnohých analytických laboratóriách na kontrolu kvality a výskum a vývoj. Meria tepelný tok, ktorý vzniká vo vzorke pri jej zahrievaní, ochladzovaní alebo izotermickom udržiavaní pri konštantnej teplote.

DSC môže merať kryštalizáciu polyméru počas meraní pri zahrievaní aj chladení, ako aj skúmať vplyv rôznych rýchlostí chladenia na kryštalizáciu.

V tomto príklade polyetyléntereftalát (PET) prechádza cyklom zahrievania, chladenia a ohrievania. Počas prvého ohrevu polymér kryštalizuje pred roztavením, čo naznačuje, že išlo o prevažne amorfný materiál. Po roztavení sa PET ochladí a opäť dôjde ku kryštalizácii pri mierne vyššej teplote. Pri druhom zahrievaní nedochádza k vrcholu kryštalizácie, pretože PET dosiahol maximálnu kryštalinitu počas chladiaceho cyklu.

Pozrite si celý webinár o kryštalizácii polymérov:

Kryštalizácia polymérov skúmaná pomocou DSC a flash DSC

Zahrievanie a chladenie PET pomocou DSC

Kryštalizácia pomocou TMA

Termomechanická analýza (TMA) meria rozmerové zmeny materiálu. TMA poskytuje charakteristické informácie o mnohých typoch vzoriek, napríklad o veľmi tenkých vrstvách, veľkých valcoch vzoriek, jemných vláknach, filmoch, doskách, mäkkých alebo tvrdých polyméroch a monokryštáloch.

Keďže hustota materiálov sa počas kryštalizácie mení, TMA je užitočným nástrojom na určenie kryštalizačného správania sa polymérov. Raz môžeme použiť PET ako príklad. Keď sa PET zahrieva, prechádza cez svoj skelný prechod (Tg) pri teplote približne 80 °C, pozoruje sa expanzia. Potom sa polymér začne zmršťovať (110 °C), čo je začiatok kryštalizácie. V polyméroch kryštalizácia spôsobuje zmršťovanie materiálu a polymérne reťazce sa usporiadajú do usporiadaných kryštalických domén.

Získajte viac informácií o tom, ako sa TMA používa na určenie kryštalizačného správania.

Charakterizácia PET pomocou TMA

Kryštalizácia pomocou DMA

Dynamická mechanická analýza (DMA) je dôležitá technika používaná na meranie mechanických a viskoelastických vlastností materiálov, ako sú termoplasty, termosety, elastoméry, keramika a kovy. DMA meria modul pružnosti v závislosti od času alebo teploty a poskytuje informácie o fázových prechodoch.

Opäť sa môžeme pozrieť na PET ako na modelový systém. Vidíme, že so zmenou teploty sa mení aj modul pružnosti. Kryštalizácia PET sa prejavuje zvýšením modulu pri 110 °C, keď sa polymérne reťazce usporiadajú do usporiadanejšej kryštálovej štruktúry.

Pozrite si webinár o DMA na požiadanie, kde sa dozviete viac o tom, ako sa DMA používa na určovanie kryštalizačného správania materiálov.

Charakterizácia PET pomocou DMA

Kryštalizácia pomocou Hot-stage mikroskopie

Hot-stage mikroskopia je metóda, ktorá sa široko používa na vizuálne skúmanie všetkých druhov tepelných prechodov pri zahrievaní alebo ochladzovaní vzorky.

Pozorovanie vzorky pod mikroskopom pri jej zahrievaní alebo ochladzovaní môže byť cennou pomôckou pri vyhodnocovaní výsledkov a pri pochopení toho, čo sa vo vašej vzorke skutočne deje.

Prečítajte si aplikačnú poznámku o tom, ako môže funkcia Hot Stage pomôcť pri analýze kriviek a interpretácii údajov.

30 °C Pevné kryštály

89 °C Počas topenia

95 °C Takmer roztavený

104 °C Kryštalizácia a odparovanie

120 °C Kryštalizácia takmer ukončená

185 °C Začiatok topenia anhydridu

Kryštalizácia pomocou flash DSC

Flash DSC predstavuje revolúciu v rýchlom skenovaní DSC. Prístroj dokáže analyzovať procesy reorganizácie, ktoré predtým nebolo možné merať. Rýchlosti zahrievania a chladenia teraz pokrývajú rozsah viac ako 7 dekád, čo umožňuje skúmať vplyv týchto rýchlostí.

Mimoriadne vysoké rýchlosti zahrievania a ochladzovania dodávajú nový rozmer štúdiu tepelne indukovaných fyzikálnych prechodov a chemických procesov, napríklad kryštalizácie a reorganizácie polymérov, kovov a iných materiálov.

Uvedený príklad ukazuje vplyv rôznych rýchlostí ohrevu na kryštalizáciu a reorganizáciu polypropylénu. Podmienky spracovania v reálnom čase možno napodobniť pomocou flash DSC.

Rýchla skenovacia čipová kalorimetria

Vplyv rýchlosti ohrevu

Entalpie kryštalizácie pre bežné polyméry

Rôzne polyméry majú rôzne kryštalizačné správanie a entalpie kryštalizácie. Zoznam kryštalizačných entalpií bežných polymérov zabudovaný do softvéru STARe uľahčuje porovnávanie a identifikáciu vzoriek. Tento typ ľahko použiteľných informácií je neoceniteľný pri určovaní kryštalizácie vašich materiálov.

Polymér	Skratka	Vzorec	Molekulová hmotnosť (g/mol)	ΔH_m (J/g) 100%
Polyetylén s nízkou hustotou	PE-LD	C₂H₄	28.1	293
Polyetylén, vysoká hustota	PE-HD	C₂H₄	28.1	293
Polypropylén	iPP	C₃H₆	42.1	207
Polyoxymetylén	POM	CH₂O	30.1	330
Polyvinylidénfluorid	PVDF	C₂H₂F₂	64.0	105

Objavte všetko, čo ponúka softvér STARe, štandard v oblasti tepelnej analýzy.

Tipy a rady

Pri určovaní kryštalizácie je meranie kvalitných údajov termickej analýzy náročnou úlohou. Napriek tomu sa tieto bežné a užitočné techniky dajú využiť vďaka jednoduchej príprave vzorky, relatívne krátkemu času merania, dobrej presnosti a jednoduchému vyhodnoteniu pomocou komerčného softvéru.

Rady na získanie čo najlepších údajov z meraní:

Pred meraním stabilizujte prístroj.
Overte reprodukovateľnosť pomocou opakovaných meraní.
Priemerovanie rôznych meraní zvyšuje presnosť.
Presne umiestnite čisté tégliky na senzor.
Odporúčanie pre veľkosť vzorky:
- DSC: 10 až 20 mg
- TMA: < 10 mm

Stiahnite si našu brožúru, v ktorej nájdete ďalšie tipy a rady pre TA

ČASTO KLADENÉ OTÁZKY

Čo je kryštalizácia polymérov?

Kryštalizácia polymérov je proces, pri ktorom sa molekuly polymérov pri tuhnutí z kvapalného alebo polotekutého stavu usporiadajú do pravidelného, opakujúceho sa vzoru známeho ako kryštálová štruktúra.

Ako podmienky spracovania ovplyvňujú kryštalizáciu polymérov?

Podmienky spracovania, ako sú teplota, tlak a rýchlosť chladenia, môžu ovplyvniť usporiadanie molekúl polyméru pri tuhnutí. Napríklad rýchle chladenie môže často zabrániť tvorbe kryštálov, zatiaľ čo pomalé chladenie môže podporiť rast kryštálov.

Aké faktory môžu ovplyvniť kryštalizáciu polymérov?

Kryštalizáciu polymérov môže ovplyvniť niekoľko faktorov vrátane molekulovej hmotnosti polyméru, chemickej štruktúry, prítomnosti prísad a podmienok spracovania.

Prečo je kryštalizácia polymérov dôležitá?

Kryštalizácia polymérov je dôležitá, pretože môže výrazne ovplyvniť vlastnosti a výkonnosť polymérov. Pochopením toho, ako a prečo polyméry kryštalizujú, môžu výskumníci vyvinúť nové materiály s lepšími vlastnosťami a výkonom.

Čo sú nukleačné činidlá a ako ovplyvňujú kryštalizáciu polymérov?

Nukleačné činidlá sú prísady, ktoré môžu podporiť tvorbu kryštálov v polyméroch. Tým, že nukleačné činidlá poskytujú povrch, na ktorom sa molekuly polyméru môžu usporiadať, môžu urýchliť proces kryštalizácie a podporiť tvorbu menších a rovnomernejších kryštálov.

Aký význam má kryštalizácia polymérov?

Kryštalizácia polymérov ovplyvňuje fyzikálne, chemické a mechanické vlastnosti polymérneho materiálu. Stupeň kryštalinity a veľkosť a tvar kryštálov môžu ovplyvniť tepelné a mechanické vlastnosti materiálu, ako aj jeho priehľadnosť a elektrickú vodivosť.

Aké techniky termickej analýzy možno použiť na určenie kryštalizácie?

V závislosti od skúmanej vlastnosti materiálu možno kryštalizáciu určiť pomocou širokej škály techník termickej analýzy. Bežne používané techniky sú diferenciálna skenovacia kalorimetria (DSC), termomechanická analýza (TMA), dynamická mechanická analýza (DMA), mikroskopia za horúca a blesková DSC.

Ako možno použiť diferenciálnu skenovaciu kalorimetriu (DSC) na štúdium kryštalizácie polymérov?

DSC sa môže použiť na meranie tepelného toku spojeného s kryštalizáciou polymérov. Zahrievaním alebo ochladzovaním vzorky polyméru riadenou rýchlosťou možno určiť teploty kryštalizácie a topenia a entalpie.

Aký význam má teplota topenia nameraná pomocou DSC?

Teplota topenia meraná pomocou DSC je dôležitým parametrom na charakterizovanie stupňa kryštalinity polymérneho materiálu.

Aký vplyv má rýchlosť chladenia na kryštalizáciu polymérov?

Rýchlosť chladenia môže ovplyvniť stupeň kryštalinity a veľkosť a tvar kryštálov polymérneho materiálu. Rýchlejšia rýchlosť chladenia môže mať za následok vyšší stupeň kryštalinity, menšiu veľkosť kryštálov a homogénnejšie rozloženie kryštálov.

Ako sa používa hot-stage mikroskopia na charakterizáciu kryštalizácie polymérov?

Hot-stage mikroskopia je výkonná metóda, ktorá sa široko používa na vizuálne skúmanie fyzikálnych prechodov. Možno ju použiť na pozorovanie toho, kedy začne polymér kryštalizovať, a tvaru kryštálov.

Ako sa Flash DSC používa na štúdium kryštalizačného správania polymérov?

Flash DSC využíva ultravysoké rýchlosti zahrievania a ochladzovania na skúmanie procesov reorganizácie polymérov. Môže sa použiť na napodobnenie podmienok procesu, na charakterizovanie konečných vlastností materiálu.

Ako možno termomechanickú analýzu (TMA) použiť na štúdium kryštalizácie polymérov?

TMA meria rozmerové zmeny vzorky, ktorá je vystavená riadenému teplotnému programu. Počas kryštalizácie polyméru vzorka prechádza zmenami dĺžky, hrúbky a objemu v dôsledku preskupenia polymérnych reťazcov, ktoré vytvárajú usporiadanejšiu kryštalickú štruktúru.

Ako možno použiť dynamickú mechanickú analýzu (DMA) na štúdium kryštalizácie polymérov?

DMA sa môže použiť na meranie zmien mechanických vlastností vzorky polyméru pri jeho kryštalizácii. Táto technika môže poskytnúť informácie o kinetike a stupni kryštalinity vzorky.

Aký je vplyv termickej histórie na kryštalizáciu polymérov?

Termická história polyméru vrátane jeho spracovania a tepelného ošetrenia môže ovplyvniť stupeň kryštalinity a veľkosť a tvar kryštálov. Na štúdium týchto vplyvov možno použiť techniky termickej analýzy.