การวิเคราะห์เชิงความร้อนของโพลิเมอร์ชีวภาพ

การวิเคราะห์เชิงความร้อนของโพลิเมอร์ชีวภาพ

ก่อนอื่น ผมอยากจะอธิบายถึงความแตกต่างระหว่าง โพลิเมอร์ชีวภาพและ โพลิเมอร์แบบดั้งเดิม

หลังจากนั้นผมอยากจะอภิปรายข้อสงสัยเกี่ยวกับเทคนิคการวิเคราะห์เชิงความร้อนในรูปแบบที่แตกต่างกันสำหรับการวิเคราะห์โพลิเมอร์ชีวภาพ

ต่อจากนั้น ผมจะนำเสนอตัวอย่างจำนวนหนึ่งซึ่งจะช่วยให้เห็นภาพว่าการวิเคราะห์เชิงความร้อนจะช่วยในการตรวจสอบพฤติกรรมทางกายภาพของโพลิเมอร์ชีวภาพได้อย่างไร

และสุดท้าย ผมจะสรุปความแตกต่างระหว่างเทคนิคการวิเคราะห์เชิงความร้อนที่ต่างกัน รวมถึงการนำไปใช้งานในสายงานแต่ละชนิด และจะแสดงรายการแหล่งอ้างอิงที่มีประโยชน์อื่น ๆ เพื่อการอ่านและการหาข้อมูลเพิ่มเติมต่อไป

สไลด์ 2: ข้อมูลเบื้องต้น

เราพบเจอกับพลาสติกได้ทุกหนแห่งในชีวิตประจำวันของเรา ประโยชน์ของพลาสติกสามารถเห็นได้ชัดเจน กล่าวคือ วัสดุพลาสติกมีน้ำหนักเบา มีอายุการใช้งานยาวนาน ราคาถูก และยังสามารถนำไปใช้งานได้หลากหลายอย่างมาก

ด้วยความสัมพันธ์ดังกล่าว ผมอยากจะอภิปรายถึงการผลิตและการกำจัดโพลิเมอร์

พลาสติกสังเคราะห์แบบดั้งเดิมมักจะผลิตขึ้นมาจากน้ำมันปิโตรเลียมและก๊าซธรรมชาติ ถ้ามีการใช้วัตถุดิบที่สามารถนำกลับมาใช้ใหม่ได้ จะสามารถลดการใช้วัตถุดิบจากฟอสซิลได้

ประมาณ 30% ของการผลิตพลาสติกทั่วโลก เป็นการผลิตเพื่อนำมาใช้สำหรับวัสดุประเภทหีบห่อและของที่ใช้แล้วทิ้ง ซึ่งจะถูกทิ้งภายในหนึ่งปีหลังจากการผลิต

ถึงแม้ว่าจะมีการพัฒนาอย่างจริงจังในด้านการกำจัดและการรีไซเคิลในช่วงหลายสิบปีที่ผ่านมา แต่ขยะพลาสติกส่วนใหญ่ในโลกยังคงถูกทิ้งโดยไม่มีการควบคุมในสิ่งแวดล้อม ดังเช่นที่เราเห็นตามชายหาดที่เต็มไปด้วยขยะพลาสติก

แพขยะพลาสติกขนาดมหึมาที่ลอยอยู่ในมหาสมุทรถูกจัดว่าเป็นปัญหาสิ่งแวดล้อมที่สำคัญในขณะนี้

โพลิเมอร์ชีวภาพสามารถเป็นทางเลือกใหม่แทนการใช้โพลิเมอร์ที่มีวงจรชีวิตยาวนานที่ผลิตมาจากน้ำมันและวัตถุดิบฟอสซิล โดยการใช้โพลิเมอร์ที่ผลิตมาจากวัตถุดิบทางชีวภาพ หรือโพลิเมอร์ที่สามารถย่อยสลายได้ ซึ่งจะเป็นหัวข้อสำหรับสไลด์ต่อไป

สไลด์ 3: ข้อมูลเบื้องต้น

ยังไม่มีการให้คำจำกัดความคำว่าโพลิเมอร์ชีวภาพ และ พลาสติกชีวภาพไว้อย่างชัดเจน และบ่อยครั้งถูกนำไปใช้ต่างกัน บ่อยครั้งที่ทั้งสองคำถูกใช้เรียกพลาสติกที่ทำมาจากวัสดุชีวภาพหรือหมายถึงพลาสติกที่ย่อยสลายได้ในทางชีวภาพ มีโพลิเมอร์ชีวภาพมากมายที่ตอบวัตถุประสงค์ตามความหมายทั้งสองข้างต้น

สำหรับ พลาสติกที่ทำมาจากวัสดุชีวภาพ, จะเน้นไปที่แหล่งที่มาของวัตถุดิบตั้งต้น กล่าวก็คือวัตถุดิบที่ไม่มีวันหมดไป ซึ่งตรงข้ามกับน้ำมันปิโตรเลียมจากฟอสซิล แต่ใช่ว่าโพลิเมอร์จากวัสดุชีวภาพทั้งหมดจะสามารถย่อยสลายในทางชีวภาพได้

พลาสติกที่สามารถย่อยสลายได้ทางชีวภาพเป็นแหล่งอาหารและพลังงานสำหรับจุลินทรีย์ และถูกย่อยสลายโดยกระบวนการเผาผลาญของหรือโดยเอนไซม์ของจุลินทรีย์ ซึ่งจะก่อให้เกิดคาร์บอนไดออกไซด์ น้ำ และชีวมวล โพลิเมอร์เหล่านี้ไม่จำเป็นเสมอไปว่าต้องเป็นโพลิเมอร์ที่ได้จากวัตถุดิบหมุนเวียน

สไลด์นี้แสดงให้เห็นถึงตัวแทนโดยทั่วไปสำหรับวัสดุแต่ละกลุ่ม ซึ่งเราจะพบสิ่งเหล่านี้ได้อีกในการนำมาใช้งาน

โพลิเมอร์ชีวภาพนั้นไม่ได้เป็นการค้นพบใหม่แต่อย่างใด โพลิเมอร์ชนิดแรก ๆ นั้นคือยางธรรมชาติ หรือยางดิบ (caoutchouc) ซึ่งเป็นโพลิเมอร์ชีวภาพ เซลลูโลสอะซีเทต (cellulose acetate) ทำมาจากเซลลูโลสของพืชมามากกว่า 150 ปี

สไลด์ 4: การวิเคราะห์เชิงความร้อน

การวิเคราะห์เชิงความร้อนคืออะไรกันแน่ คำจำกัดความจากสมาพันธ์นานาชาติด้านการวิเคราะห์เชิงความร้อนและความร้อนของสาร คือ

"กลุ่มของเทคนิคที่ใช้ตรวจวัดคุณลักษณะทางกายภาพของสารด้วยฟังก์ชันของอุณหภูมิ ในขณะที่สารนั้นอยู่ภายใต้โปรแกรมควบคุมอุณหภูมิ"

แผนภาพทางด้านขวาแสดงถึงโปรแกรมอุณหภูมิเชิงเส้นแบบง่าย

ครึ่งล่างของสไลด์แสดงถึงเหตุการณ์ที่จะเกิดขึ้นโดยทั่วไปเมื่อกลุ่มตัวอย่างได้รับความร้อน ตัวอย่างเช่น การเริ่มละลาย ซึ่งกลุ่มตัวอย่างเปลี่ยนสถานะจากของแข็งเป็นของเหลว ถ้ากลุ่มตัวอย่างได้สัมผัสอากาศหรืออ็อกซิเจนก็จะเริ่มเกิดการรวมตัวกับอ็อกซิเจน (oxidize) และสลายตัวในที่สุด เราใช้เทคนิคการวิเคราะห์เชิงความร้อนเพื่อตรวจสอบผลกระทบเหล่านี้

สไลด์ 5: เทคนิคการวิเคราะห์เชิงความร้อน

เรามาดูเทคนิคการวิเคราะห์เชิงความร้อนในแต่ละรูปแบบกัน

สไลด์นี้แสดงถึงเทคนิคที่สำคัญที่สุดสี่ชนิดที่ใช้ในการวิเคราะห์เชิงความร้อนสำหรับการจัดหมวดหมู่โพลิเมอร์ชีวภาพ ได้แก่

การวิเคราะห์การเปลี่ยนแปลงความร้อนของสาร หรือ DSC ซึ่งเป็นเทคนิคที่ใช้กันอย่างแพร่หลายที่สุด ภาพนี้แสดงให้เห็นถึงเซ็นเซอร์ DSC พร้อมถ้วยใส่ตัวอย่างซึ่งมีวัตถุตัวอย่าง (สีแดง) และถ้วยอ้างอิง

ตรงข้ามกับ DSC แบบดั้งเดิม Flash DSC มีอัตราการให้ความร้อนและการให้ความเย็นสูงกว่าเดิมมากกว่าหนึ่งพันเท่า

การวิเคราะห์การเปลี่ยนแปลงน้ำหนักเมื่อได้รับความร้อน (TGA) หรือ TGA ภาพนี้แสดงเครื่องชั่ง TGA ซึ่งภายในมีตุ้มน้ำหนักมาตรฐานอัตโนมัติแบบวงแหวน

การวิเคราะห์ความร้อนเชิงกล หรือ TMA ภาพนี้แสดงให้เห็นถึงพื้นที่วางตัวอย่างซึ่งมีวัตถุตัวอย่าง (สีแดง) พร้อมกับหัววัดและเซ็นเซอร์แบบควอทซ์

และสุดท้ายคือ การวิเคราะห์สมบัติเชิงกลแบบไดนามิกหรือ DMA ภาพนี้แสดงให้เห็นวิธีหนึ่งในหลายวิธีสำหรับการประกอบการจับยึดวัตถุตัวอย่าง

สไลด์ 6: การวิเคราะห์เชิงความร้อนของโพลิเมอร์ชีวภาพ

สไลด์นี้แสดงภาพรวมของกราฟการวัดโดยทั่วไปของโพลีแลคไทด์ หรือ PLA ซึ่งได้จากเทคนิคทั้งสี่ชนิด

กราฟ TGA ด้านบนสุดบันทึกความเปลี่ยนแปลงมวลสารของวัสดุตัวอย่างด้วยฟังก์ชันของอุณหภูมิ และช่วยให้คุณได้ข้อมูลด้านความเสถียรและพฤติกรรมการย่อยสลายของวัสดุตัวอย่าง

กราฟ DSC ให้ข้อมูลเกี่ยวกับอุณหภูมิที่จะทำให้เกิดการเปลี่ยนแปลง เช่น อุณหภูมิที่จะทำเกิดการเปลี่ยนสถานะคล้ายแก้ว (Tg) จุดหลอมเหลว (Tm) ระดับของการเกิดผลึก และเอนทาลปีที่จะทำให้เกิดการเปลี่ยนแปลง ซึ่งทั้งหมดนี้จะมีอิทธิพลต่อสภาวะในกระบวนการ

TMA และ DMA จะใช้เพื่อหาสมบัติเชิงกล เช่น ค่าสัมประสิทธิ์ของการขยายตัว หรืออัตราการหดหรือขยายตัว หรือ โมดูลัสแบบยืดหยุ่น แน่นอนว่าวิธีการเหล่านี้ยังบอกถึงอุณหภูมิที่จะทำให้เกิดการเปลี่ยนแปลงอีกด้วย การวัดเหล่านี้ยังทำได้ภายใต้สภาพบรรยากาศที่แตกต่างกัน ตัวอย่างเช่น การศึกษาเรื่องผลกระทบของความชื้นสัมพัทธ์ต่อสมบัติเชิงกล

สไลด์ 7: อุตสาหกรรมและการนำไปใช้งาน

โพลิเมอร์ชีวภาพมีโอกาสการนำไปใช้งานได้หลากหลายอย่างมาก อีกทั้งยังใช้ในเกือบทุกอุตสาหกรรมและในชีวิตประจำวันของเรา

โพลิเมอร์ที่สามารถย่อยสลายทางชีวภาพได้นั้นยิ่งมีความสำคัญมาก ถ้าเราต้องการให้วัสดุนั้นย่อยสลายได้หลังจากช่วงเวลาหนึ่งเมื่อมันได้ถูกใช้งานตามจุดประสงค์เรียบร้อยแล้ว ซึ่งจะใช้ในกรณีของการปลูกถ่ายหรือการใช้เส้นไหมในทางการแพทย์ รวมถึงการใช้ฟิลม์และบรรจุภัณฑ์ในการกสิกรรมและการใช้งานภายในครัวเรือน

โพลิเมอร์ชีวภาพยังถูกใช้แทนได้ในทุกกรณีที่โพลิเมอร์มีความได้เปรียบ เช่น การมีต้นทุนการผลิตต่ำ น้ำหนักเบา การออกแบบอย่างมีสีสัน และในกรณีที่ต้องการความอเนกประสงค์

ในตอนนี้ผมต้องการที่จะชี้ให้เห็นถึงเทคนิคการวิเคราะห์เชิงความร้อนในแต่ละประเภท และอภิปรายตัวอย่างการนำไปใช้งานโดยทั่วไปบางกรณี

สไลด์ 8: การวิเคราะห์การเปลี่ยนแปลงความร้อนของสาร (DSC)

เรามาเริ่มต้นด้วยการวิเคราะห์การเปลี่ยนแปลงความร้อนของสาร หรือ DSC เทคนิคนี้ช่วยให้เราหาปริมาณพลังงานที่ถูกดูดหรือคายโดยวัสดุตัวอย่างจากการถูกทำให้ร้อนขึ้นหรือเย็นลง

อุปกรณ์ DSC มีหลายเวอร์ชันที่แตกต่างกัน ขึ้นอยู่กับช่วงอุณหภูมิของอุปกรณ์ อัตราการให้ความร้อนและความเย็น และชนิดของเซ็นเซอร์ที่ใช้

อุปกรณ์ DSC มาตรฐานของ METTLER TOLEDO วัดได้ตั้งแต่อุณหภูมิติดลบใกล้เคียงกับจุดเดือดของไนโตรเจนเหลวไปจนถึงเจ็ดร้อยองศา (700 °C) ที่อัตราการให้ความร้อนสูงสุดหลายร้อยเคลวินต่อนาที โดยปกติแล้วตัวอย่างจะถูกวัดในถ้วยใส่ตัวอย่างขนาดเล็กทำมาจากอะลูมิเนียม อะลูมินา หรือวัสดุชนิดอื่น โดยใช้ปริมาณวัสดุตัวอย่างระหว่างสองถึงยี่สิบมิลลิกรัม

Flash DSC 1 แบบสแกนเร็วของ METTLER TOLEDO ขยายอัตราการให้ความร้อนไปถึงสองล้านสี่แสนเคลวินต่อนาที (2,400,000 K/นาที) และอัตราการให้ความเย็นถึงสองแสนสี่หมื่นเคลวินต่อนาที (240,000 K/min) เพื่อให้บรรลุประสิทธิภาพดังกล่าว Flash DSC ใช้วัสดุตัวอย่างขนาดเล็กมากประมาณหนึ่งร้อยนาโนกรัม (100 ng) และไม่ใช้ถ้วยสำหรับบรรจุตัวอย่าง แต่ให้วัสดุตัวอย่างสัมผัสกับเซ็นเซอร์โดยตรง ด้วยอัตราการให้ความร้อนและความเย็นที่รวดเร็วอย่างมากนี้ ทำให้สามารถจำลองสภาวะในกระบวนการอุตสาหกรรมซึ่งวัสดุจะต้องผ่านการลดอุณหภูมิอย่างรวดเร็วมากได้

เทคนิค DSC ที่มีประโยชน์อีกวิธีหนึ่งคือ DSC แรงดันสูง หรือเรียกโดยย่อว่า HPDSC HP DSC 1HP DSC 1 ของ METTLER TOLEDO สามารถวิเคราะห์ตัวอย่างภายใต้ก๊าซเฉื่อยหรือก๊าซปฏิกิริยาในสภาวะแรงดันสูงได้ ซึ่งสามารถยับยั้งการระเหยของตัวอย่างโดยไม่พึงประสงค์ได้ หรือทำให้สามารถศึกษาความเสถียรของตัวอย่างภายใต้แรงดันอ็อกซิเจนที่เพิ่มขึ้นได้

กราฟแผนภาพทางด้านซ้ายแสดงถึงกราฟวัดผล DSC โดยทั่วไปของโพลิเมอร์กึ่งผลึก ผลของกระบวนการคายความร้อนอยู่ในทิศทางชี้ขึ้น และผลของกระบวนการดูดความร้อนในทิศทางชี้ลง ผลที่แตกต่างกันได้ถูกกำกับไว้เป็นตัวเลข ติดกับกราฟ และมีคำอธิบายในตาราง ดังนี้

หนึ่ง การเบี่ยงเบนตั้งต้น หรือภาวะที่ยังไม่นิ่งในช่วงแรกของการทำ DSC

สอง เส้นฐานที่ไม่มีผลเชิงความร้อนเกิดขึ้น

สาม การเปลี่ยนสถานะคล้ายแก้วที่มีการคลายความเครียดเอนทาลปี

สี่ ปฏิกิริยาการเกิดผลึกเมื่อได้รับความร้อน (cold crystallization)

ห้า การหลอมเหลวของส่วนที่เป็นผลึก และสุดท้ายคือ

หก การสลายตัวแบบคายความร้อนเชิงออกซิเดชัน

สไลด์ 9: การวิเคราะห์การเปลี่ยนแปลงความร้อนของสาร (DSC)

การวิเคราะห์การเปลี่ยนแปลงความร้อนของสารใช้เพื่อศึกษาพฤติกรรมเชิงความร้อน ปฏิกิริยาจลนศาสตร์ และเหตุการณ์เช่น การหลอมเหลว การเปลี่ยนแปลงของแข็ง-ของแข็ง หรือปฏิกิริยาทางเคมี

ตารางนี้สรุปการนำไปใช้งานเชิงวิเคราะห์ของ DSC สำหรับโพลิเมอร์ชีวภาพ

การนำไปใช้งานหลักต้องคำนึงถึงพฤติกรรมการหลอมเหลวและอุณหภูมิที่ทำให้เกิดการเปลี่ยนสถานะคล้ายแก้ว กระบวนการมาตรฐานหลายวิธีจะถูกใช้อย่างสม่ำเสมอเพื่อตรวจหาความเสถียรของออกซิเดชันและอิทธิพลของสารเติมแต่ง การวัดด้วยวิธี DSC ยังให้ข้อมูลเกี่ยวกับองค์ประกอบและประวัติเชิงความร้อนของวัสดุอีกด้วย

รูปทางด้านขวาของสไลด์แสดงให้เห็นภาพของเตา DSC แบบเปิด พร้อมถ้วยใส่ตัวอย่างที่นำมาทดสอบและถ้วยอ้างอิง

สไลด์ 10: การนำไปใช้งาน 1: DSC

ตอนนี้เรามาดูเรื่อง การนำเทคนิค DSC ไปใช้งาน บางประเภทที่เกี่ยวข้องกับโพลิเมอร์ชีวภาพ

สไลด์นี้แสดงการให้ความร้อนครั้งแรกของเม็ดโพลีแลคไทด์กึ่งผลึก ซึ่งวัดที่อัตราการให้ความร้อน 10 เคลวินต่อนาที (10 K/min) กราฟนี้แสดงให้เห็นเหตุการณ์เชิงความร้อนหลักสองเหตุการณ์ คือ

เหตุการณ์แรกคือการเปลี่ยนสถานะคล้ายแก้วในอุณหภูมิตั้งแต่ 60 ถึง 80 องศาเซลเซียส (60 ถึง 80 °C): ซึ่งวิเคราะห์จากพีคการดูดความร้อนในกราฟ โดยมีพีคการคลายความเครียดที่มีความสูงในระดับที่แตกต่างไป การเปลี่ยนสถานะคล้ายแก้วเกิดขึ้นที่อุณหภูมิ 68 องศา (68 °C) และระดับ delta cp (c_p) อยู่ที่ 0.14 จูลต่อกรัมเคลวิน (0.14 J/gK)

หลังจากการเปลี่ยนสถานะคล้ายแก้ว จะเกิดกระบวนการจัดเรียงโครงสร้างใหม่ในผลึกโพลิเมอร์ซึ่งจะมีทั้งการหลอมเหลวจากการดูดความร้อน และการเกิดปฏิกิริยาการตกผลึกจากการคายความร้อน กระบวนการทั้งสองซ้อนทับกันอยู่ ในช่วงอุณหภูมิ 160 ถึง 180 องศา ผลึกโพลิเมอร์จะหลอมเหลวได้ในที่สุด ด้วยอุณหภูมิการหลอมเหลวสูงสุดที่ 172 องศา ความร้อนแฝงของการหลอมเหลวที่เกิดคือ 42.5 จูลต่อกรัม (42.5 J/g)

ตัวอย่างนี้แสดงให้เห็นถึงชนิดของข้อมูลที่ได้จากการวัดแบบ DSC หนึ่งครั้ง การวัดนี้ทำได้เร็วและต้องการปริมาณตัวอย่างเพียงเล็กน้อยเท่านั้น

สไลด์ 11: การนำไปใช้งาน 2: HPDSC

ขึ้นอยู่กับกระบวนการนั้น ๆ ช่วงอุณหภูมิของกระบวนการจะถูกจำกัดโดยอุณหภูมิที่ทำให้เกิดการเปลี่ยนสถานะคล้ายแก้ว หรือจุดหลอมเหลว

ถ้าวัสดุที่เกี่ยวข้องมีความไวต่ออุณหภูมิและต้องการความระมัดระวังในกระบวนการ มักจะเป็นการดีที่จะลดอุณหภูมิดังกล่าวทั้งสองนั้นลง ซึ่งจะสามารถทำได้ในโพลิเมอร์บางชนิดโดยการประมวลผลวัสดุภายใต้สภาพบรรยากาศคาร์บอนไดออกไซด์

ในตัวอย่างนี้ โพลีแลคไทด์ถูกวัดในเครื่อง DSC แรงดันสูง มีการแปรค่าของแรงดันของ CO2 กราฟการวัดที่เห็นแสดงการให้ความร้อนครั้งที่สอง

กราฟแสดงให้เห็นค่อนข้างชัดเจนว่าอุณหภูมิที่จะทำให้เกิดการเปลี่ยนสถานะคล้ายแก้ว จุดสูงสุดของการเกิดปฏิกิริยาการเกิดผลึก และจุดหลอมเหลวนั้นจะเปลี่ยนไปยังอุณหภูมิที่ต่ำลงเมื่ออยู่ภายใต้ CO2 ที่มีแรงดันสูงกว่า

เราสามารถใช้ผลกระทบนี้ให้เป็นประโยชน์ได้ ตัวอย่างเช่น ใช้ในการบรรจุหีบห่อผลิตภัณฑ์ยา เป็นต้น

สไลด์ 12: การนำไปใช้งาน 3: Flash DSC

โพลิเมอร์จะผ่านกระบวนการจัดเรียงโครงสร้างใหม่ที่อัตราการให้ความร้อนที่มักจะใช้ในอุปกรณ์การวัด DSC แบบเดิมที่ใช้กันทั่วไป จุดหลอมเหลวที่วัดได้จากการให้ความร้อนครั้งแรกจะไม่สัมพันธ์กับจุดหลอมเหลวของผลึกโพลิเมอร์เดิม เพื่อยับยั้งการจัดเรียงโครงสร้างใหม่ดังกล่าว จำเป็นต้องมีอัตราการให้ความร้อนที่สูงกว่าเดิมมาก ซึ่งสามารถทำได้โดยการใช้เครื่อง Flash DSC 1

สไลด์นี้แสดงตัวอย่างของกราฟการวัดของ DSC และ Flash DSC ของโคโพลิเมอร์ชีวภาพ การให้ความร้อนครั้งแรกของ DSC ที่ 10 เคลวินต่อนาที (10 K/min) ที่เห็นในแผนภาพส่วนบน แสดงให้เห็นถึงจุดหลอมเหลวสูงสุดที่ 96 องศาเซลเซียส (96 °C)

ในแผนภาพส่วนล่าง เราจะเห็นการวัดผลการให้ความร้อนครั้งแรกโดยใช้ Flash DSC 1 อัตราการให้ความร้อนคือหนึ่งพันเคลวินต่อวินาที (1000 K/s) หรือหกหมื่นเคลวินต่อนาที (60,000 K/min) ซึ่งมีความเร็วมากพอที่จะยับยั้งการจัดเรียงโครงสร้างใหม่ ในกรณีนี้ จุดหลอมเหลวจะต่ำลงไปเป็น 81 องศา (81 °C) เอนทาลปีของการหลอมเหลวเกือบเหมือนกันในทั้งสองกรณี

และเพื่อให้การถ่ายเทความร้อนในการให้ความร้อนครั้งแรกได้ผลดี จะมีการใช้น้ำมันพิเศษในปริมาณเล็กน้อยทาระหว่างวัสดุตัวอย่างและเซ็นเซอร์

สไลด์ 13: การวิเคราะห์การเปลี่ยนแปลงน้ำหนักเมื่อได้รับความร้อน (TGA)

ในตอนนี้เราจะหันไปดูเรื่อง การวิเคราะห์การเปลี่ยนแปลงน้ำหนักเมื่อได้รับความร้อน หรือ TGA (Thermogravimetric Analysis)

เทคนิคนี้ มวลของตัวอย่างจะถูกวัดอย่างต่อเนื่องในขณะที่มีการทำให้ร้อนขึ้นหรือทำให้เย็นลงในสภาพบรรยากาศที่ถูกกำหนดไว้ เราใช้ตัวอย่างเพียงไม่กี่มิลลิกรัมในถ้วยใส่ตัวอย่าง ชั่งน้ำหนักตัวอย่าง ให้ความร้อน แล้วจึงบันทึกการเปลี่ยนแปลงในมวลของตัวอย่าง จากเหตุการณ์นี้ เราจะได้ข้อมูลเกี่ยวกับองค์ประกอบของตัวอย่าง เช่น เนื้อของโพลิเมอร์และสารเติมเต็ม

กราฟแผนภาพทางด้านซ้ายแสดงถึงกราฟวัดผล TGA โดยทั่วไปของโพลิเมอร์ ในขั้นต้น ก่อนที่จะเริ่มเพิ่มการให้ความร้อน การวัด TGA จะวัดมวลของตัวอย่าง ในขั้นสุดท้ายของการวัดผลที่อุณหภูมิประมาณหนึ่งพันองศาเซลเซียส (1000 °C) สารเติมเต็มอนินทรีย์อย่างซิลิเกตอาจยังหลงเหลือเป็นสารตกค้าง ขั้นตอนดังกล่าวซึ่งมีการสูญเสียมวล ทำให้เราได้ข้อมูลที่มีคุณค่าเกี่ยวกับองค์ประกอบของวัสดุ

ขั้นดังกล่าวถูกกำกับไว้เป็นตัวเลขติดกับกราฟ และมีคำอธิบายในตาราง ดังนี้

หนึ่ง การให้ความร้อนเริ่มขึ้นและส่วนประกอบที่ระเหยได้ง่ายเกิดการระเหย

สอง การแยกสลายด้วยความร้อนของสารอินทรีย์และโพลิเมอร์

สาม, ที่อุณหภูมิหกร้อยองศาเซลเซียส (600 °C) สภาพบรรยากาศถูกเปลี่ยนจากไนโตรเจนเป็นออกซิเจน เพื่อให้เกิดสภาพออกซิเดชั่น

สี่ เกิดการเผาไหม้ผงคาร์บอนหรือเส้นใยคาร์บอน

ห้า สารเติมเต็มอนินทรีย์อย่างซิลิเกตจะหลงเหลืออยู่เป็นสารตกค้าง

สไลด์ 14: การวิเคราะห์การเปลี่ยนแปลงน้ำหนักเมื่อได้รับความร้อน (TGA)

การวิเคราะห์เปลี่ยนแปลงน้ำหนักเมื่อได้รับความร้อน (TGA) ใช้เพื่อสืบหากระบวนการอย่างการระเหยหรือการสลาย การประเมินความเสถียรของสารประกอบ และเพื่อหาสารตกค้างอนินทรีย์ ปริมาณก๊าซที่ปล่อยออกมาสามารถวิเคราะห์ทางออนไลน์ได้โดยใช้เทคนิคที่เชื่อมโยงกันเช่น TGA-MS หรือ TGA-FTIR

ตารางนี้สรุปการนำไปใช้งานเชิงวิเคราะห์หลักของ TGA สำหรับโพลิเมอร์ชีวภาพ เทคนิคนี้ให้ข้อมูลเกี่ยวกับองค์ประกอบของตัวอย่างซึ่งรวมถึงเนื้อของสารเติมเต็มที่ใช้ ยิ่งกว่านั้น เทคนิคนี้ยังทำให้เราสามารถตรวจสอบความเสถียรเชิงความร้อนหรือเชิงการเกิดออกซิเดชันของผลิตภัณฑ์เช่นโพลิเมอร์ที่ย่อยสลายได้ทางชีวภาพ หรือเพื่อใช้วิเคราะห์เนื้อในของความชื้นหรือความระเหยง่ายในสูตรผลิตภัณฑ์

ภาพด้านขวาแสดงมุมมองของเตาแบบเปิด ที่วางตัวอย่างมีสองตำแหน่งสำหรับถ้วยใส่ตัวอย่างและถ้วยอ้างอิงในเครื่อง TGA ถ้วยใส่ตัวอย่างมาตรฐานทำมาจากอะลูมินา

สไลด์ 15: การนำไปใช้งาน 1: TGA/DSC - การสลายตัว

การนำเทคนิค TGA ไปใช้งานในรูปแรก แสดงกราฟของน้ำหนักที่สูญเสียไปจากการสลายของตัวอย่างโพลีแลคไทด์โดยใช้ก๊าซต่างกันสองชนิด - สีแดงคืออากาศ และสีน้ำเงินคือไนโตรเจน อัตราการให้ความร้อนคือ 20 เคลวินต่อนาที (20 K/min)

การสลายตัวในอากาศเริ่มต้นที่อุณหภูมิต่ำกว่าในไนโตรเจน ซึ่งแสดงให้เห็นจากอุณหภูมิที่จุดกึ่งกลางของกราฟทั้งสองที่ถูกวัดที่ตำแหน่งครึ่งหนึ่งของความสูงระดับขั้นการเปลี่ยนแปลง การสลายในอากาศเกิดขึ้นในสองชั้นของกราฟที่สามารถแยกออกจากกันชัดเจน ในขั้นแรกนั้น วัสดุถูกเผาทำลายไป 98% ในขณะที่ 2% ที่เหลือจะถูกเผาทำลายที่อุณหภูมิสูงกว่าถึง 80 องศา ในทางตรงกันข้าม การสลายในไนโตรเจนเกิดขึ้นอย่างไม่สมบูรณ์ มีสารตกค้างหลงเหลือประมาณ 1%

ในตัวอย่างถัดไป ผมขออภิปรายถึงจลนศาสตร์ของกระบวนการการสลายตัวของตัวอย่างเหล่านั้น

สไลด์ 16: การนำไปใช้งาน 2: TGA/DSC - จลนศาสตร์ของการสลายตัว

กราฟการวิเคราะห์ทางจลนศาสตร์ของการวิเคราะห์เชิงความร้อน เป็นเครื่องมือที่มีคุณค่าอย่างมากสำหรับการวิเคราะห์ปฏิกิริยาและการทำนายเกี่ยวกับความเสถียรของวัสดุ ซอฟต์แวร์ที่มีประสิทธิภาพสำหรับการประเมินปฏิกิริยาทางจลนศาสตร์นี้คือ โปรแกรมจลนศาสตร์แบบ Model Free Kinetics ของ METTLER TOLEDO หรือเรียกสั้น ๆ ว่า MFK

สไลด์นี้แสดงให้เห็นภาพความเป็นไปได้ในการนำไปใช้งานบางประเภท และสรุปผลที่ได้จากการย่อยสลายเชิงความร้อนของโพลีแลคไทด์ในออกซิเจน

การประเมินผลโดยใช้ Model Free Kinetics ต้องการการบันทึกกราฟการวัดผลอย่างน้อยสามชนิดที่อัตราการให้ความร้อนที่แตกต่างกัน

แผนภาพด้านซ้ายบนแสดงกราฟของน้ำหนักที่สูญเสียไปที่ถูกวัดที่อัตราการให้ความร้อน 5, 10 และ 20 เคลวินต่อนาที (5 K/min, 10K/min, และ 20 K/min) กราฟการเปลี่ยนแปลงถูกคำนวณจากกราฟของการสูญเสียน้ำหนักในแต่ละประเภท ดังที่แสดงให้เห็นในแผนภาพที่มุมบนขวา หลังจากนั้น กราฟเหล่านี้จะใช้ในโปรแกรมจลนศาสตร์แบบ Model Free Kinetics เพื่อนำไปคำนวณเป็นกราฟพลังงานกระตุ้นที่เป็นฟังก์ชันของการเปลี่ยนแปลง

กราฟพลังงานกระตุ้นนี้จะให้ข้อมูลเกี่ยวกับกลไกการเกิดปฏิกิริยา และยังทำให้สามารถทำนายเกี่ยวกับปฏิกิริยาที่จะเกิดขึ้นภายใต้สภาพแวดล้อมที่ต่างออกไปอีกด้วย

ตัวอย่างที่ดีอย่างหนึ่งคือ การคำนวณกราฟการเปลี่ยนแปลงเชิงความร้อนแบบคงที่ แผนภาพที่มุมซ้ายล่างแสดงให้เห็นถึงกราฟเส้นโค้งการเปลี่ยนแปลงคงที่สำหรับอุณหภูมิ 300, 320 และ 340 องศาเซลเซียส (300 °C, 320 °C และ 340 °C) ซึ่งจะแสดงให้เห็นเป็นตัวอย่างว่า ที่อุณหภูมิ 340 องศา การแปลี่ยนแปลง 90% จะเกิดขึ้นหลังจากเวลาผ่านไป 15 นาที ในขณะที่อุณหภูมิ 320 องศา การแปลงในลักษณะเดียวกันจะต้องการเวลาในการเกิดปฏิกิริยานานกว่าถึงสี่เท่า

การวัดผลและการประเมินผลดังกล่าวสามารถนำไปใช้สำหรับการประเมินผลและการเปรียบเทียบความเสถียรเชิงความร้อนของวัสดุ

สไลด์ 17: การวิเคราะห์ความร้อนเชิงกล (TMA)

ต่อไปเราจะกล่าวถึง การวิเคราะห์ความร้อนเชิงกล หรือ TMA เทคนิคนี้จะวัดการเปลี่ยนแปลงเชิงมิติของตัวอย่างเมื่อถูกทำให้ร้อนขึ้นหรือทำให้เย็นลงในบรรยากาศที่ถูกกำหนดไว้

กราฟแผนภาพทางด้านซ้ายแสดงถึงกราฟวัดผล TMA โดยทั่วไปของโพลิเมอร์ ผลที่แตกต่างกันได้ถูกกำกับไว้เป็นตัวเลข ติดกับกราฟ และมีคำอธิบายในตาราง ดังนี้

หนึ่ง การขยายตัวภายใต้การเปลี่ยนสถานะคล้ายแก้ว

สอง จุดเกิดการเปลี่ยนสถานะคล้ายแก้วที่มีอัตราการขยายตัวเปลี่ยนไป

สาม การขยายตัวเหนือการเปลี่ยนสถานะคล้ายแก้ว ความชันที่มากขึ้นชี้ให้เห็นถึงอัตราการขยายตัวที่สูงขึ้น

สี่ การอ่อนตัวโดยมีการเปลี่ยนรูปทรงพลาสติก

สไลด์ 18: การวิเคราะห์ความร้อนเชิงกล (TMA)

ตารางนี้สรุปการนำไปใช้งานเชิงวิเคราะห์ของการวิเคราะห์ความร้อนเชิงกลสำหรับโพลิเมอร์ชีวภาพ

การนำไปใช้งานหลักคือการหาพฤติกรรมการขยายตัวและค่าสัมประสิทธิ์ของการขยายตัวเชิงความร้อน หรือ CTE

TMA ยังมีประโยชน์มากสำหรับการหาอุณหภูมิที่จะทำให้เกิดการเปลี่ยนสถานะคล้ายแก้ว และเพื่อการศึกษาพฤติกรรมการอ่อนตัว การคืบ หรือการบวมของตัวทำละลาย ภาพทางด้านขวาแสดงถึงวิธีการทดลองโดยทั่วไปที่มีหัววัดปลายมนวางแตะอยู่บนวัสดุตัวอย่าง

สไลด์ต่อไปนี้อธิบายตัวอย่างของการนำไปใช้งานโดยทั่วไปบางประเภท

สไลด์ 19: การนำไปใช้งาน 1: TMA/SDTA - การหดตัว

ในตัวอย่างนี้ ผมอยากจะอภิปรายผลของการวัด TMA แบบการตึง ในฟิล์มอะซิเตตเซลลูโลสที่ใช้ในหีบห่อของผักและผลไม้

ฟิล์มถูกวัดผลในตัวจับยึดตัวอย่างแบบตึง โดยมีแรงดึงที่ศูนย์จุดศูนย์สองนิวตัน (0.02 N) ดังที่เห็นในภาพทางด้านขวา

การวางตัวของสายโซ่โพลิเมอร์ในทิศทางเดียวกับกระบวนการและเป็นมุมฉากกับกระบวนการจะมีความแตกต่างกัน ด้วยเหตุผลดังกล่าว พฤติกรรมการขยายตัวของฟิล์มจะขึ้นอยู่กับทิศทางในการวัดผล กราฟที่วัดผลในทิศทางเดียวกับกระบวนการ (ตามยาว) เป็นสีแดง และกราฟที่วัดผลเป็นมุมฉากกับกระบวนการ (ตัดกัน) เป็นสีน้ำเงิน

กราฟการวัดผลในช่วงอุณหภูมิ ตั้งแต่อุณหภูมิห้องจนถึง 80 องศาเซลเซียส (80 °C) จะแสดงให้เห็นในสเกลแบบขยายในแผนภาพแทรก กราฟนี้แสดงให้เห็นว่าตัวอย่างขยายตัวในช่วงอุณหภูมินี้ การขยายตัวเชิงความร้อนในทิศทางเดียวกับกระบวนการจะน้อยกว่าการขยายตัวเมื่อเป็นมุมฉากกับกระบวนการ 

ตั้งแต่ 90 องศาขึ้นไป การหดตัวของฟิล์มจะขึ้นอยู่กับทิศทาง ในทิศทางเดียวกับกระบวนการ ระยะการหดตัวสูงสุดของตัวอย่างที่อุณหภูมิ 160 องศาจะมากกว่าระยะการหดตัวเมื่อตัวอย่างเป็นมุมฉากกับกระบวนการเกินกว่าสองเท่า

ถ้าอุณหภูมิสูงมากขึ้น ฟิล์มจะถูกดึงออกจากกันเนื่องจากมีความอ่อนตัวลง

การวัดความตึงลักษณะนี้ยังสามารถใช้กับไฟเบอร์ได้โดยมีอุปกรณ์เสริมในการจับยึด

สไลด์ 20: การนำไปใช้งาน 2: TMA/SDTA - โหมดการบีบอัด

สไลด์นี้แสดงถึงการวัดผล TMA ขององค์ประกอบไม้และพลาสติก หรือเรียกโดยย่อว่า WPC

WPCs เป็นวัสดุเชิงประกอบซึ่งสามารถผ่านกระบวนการเทอร์โมพลาสติกได้ เป็นวัสดุเชิงประกอบที่ถูกผลิตขึ้นจากไม้ พลาสติก และสารเติมแต่งในปริมาณที่แตกต่างกัน ข้อได้เปรียบของวัสดุชนิดนี้เมื่อเปรียบเทียบกับวัสดุไม้แบบดั้งเดิม เช่น แผ่นไม้กระดาน ไม้อัด หรือแผ่นผนัง คือความอิสระ ความเป็นไปได้ในการขึ้นรูปของวัสดุแบบ 3 มิติ และมีความต้านทานต่อความชื้นที่ดีกว่า

ในการทดสอบนี้ จะวิเคราะห์พฤติกรรมการบวมในน้ำ การติดตั้งชุดทดสอบแสดงให้เห็นในแผนภาพแทรกขนาดเล็ก วัสดุทรงลูกบาศก์ขนาดเล็กถูกบรรจุในอุปกรณ์เสริมทรงกระบอกซึ่งมีน้ำอยู่เต็ม ความสูงของตัวอย่างจะถูกวัดโดยเครื่องมือวัด TMA ซึ่งวางแตะอยู่บนตัวอย่างด้วยแรงเพียงเบาบาง การวัดผลจะทำที่สามสิบองศาเซลเซียส (30 °C)

กราฟ TMA แสดงความสูงของตัวอย่างด้วยฟังก์ชันของเวลา ความจริงแล้ว วัสดุนี้มีความทนทานต่อน้ำอย่างมาก หลังจากการแช่ในน้ำกว่า 50 ชั่วโมง ความสูงและความหนาเพิ่มขึ้นน้อยกว่า 1%

สไลด์ 21: การวิเคราะห์คุณสมบัติเชิงกลแบบไดนามิก (DMA)

การวิเคราะห์สมบัติเชิงกลแบบไดนามิก หรือ DMA เป็นเทคนิคที่ใช้ในการวัดสมบัติเชิงกลของวัสดุหยุ่นหนืดด้วยฟังก์ชันของเวลา อุณหภูมิ และความถี่ เมื่อวัสดุถูกเปลี่ยนรูปไปภายใต้ความเค้นแบบสั่นเป็นระยะ

แผนภาพทางด้านซ้ายแสดงถึงผลการวัด DMA ของโพลิเมอร์ซึ่งถูกวัดภายใต้โหมดแรงเฉือน กราฟแสดงโมดูลัสสะสม (G′) โมดูลัสสูญเสีย (G″) และแทนเดลต้า (tan delta) ด้วยฟังก์ชันของอุณหภูมิ

ผลที่แตกต่างกันได้ถูกกำกับไว้เป็นตัวเลข ติดกับกราฟ และมีคำอธิบายในตาราง ดังนี้

หนึ่ง การคลายความเครียดทุติยภูมิพบพีคสูงในกราฟแทนเดลต้า

สอง การเปลี่ยนสถานะคล้ายแก้ว พบว่าเป็นการลดลงของกราฟโมดูลัสสะสม

สาม การเกิดปฏิกิริยาการเกิดผลึกแบบอุณหภูมิสูงขึ้นเริ่มต้นเมื่ออุณหภูมิเพิ่มขึ้น

สี่ การเกิดผลึกครั้งใหม่มาพร้อมกับพีคสูงในกราฟแทนเดลต้า

ห้า การหลอมเหลวของส่วนที่เป็นผลึกเมื่อโมดูลัสสะสมมีค่าลดลง

สไลด์ 22: การวิเคราะห์คุณสมบัติเชิงกลแบบไดนามิก (DMA)

ตารางนี้แสดงการนำการวิเคราะห์สมบัติเชิงกลแบบไดนามิก (DMA) สำหรับโพลิเมอร์ชีวภาพไปใช้งาน

โดยทั่วไปแล้ว DMA จะให้ข้อมูลเกี่ยวกับโมดูลัสเชิงกล การผ่อนตาม การดูดซับแรง และพฤติกรรมความหยุ่นหนืด อุณหภูมิที่ทำให้เกิดการเปลี่ยนสถานะคล้ายแก้ว อุณหภูมิที่ทำให้เกิดความอ่อนตัว หรือกระบวนการคลายความเครียดเบต้าซึ่งจะถูกพบได้ในกราฟแทนเดลต้า หรือผ่านการเปลี่ยนแปลงในโมดูลัส

ภาพทางด้านขวาแสดงตัวอย่างที่ถูกบรรจุไว้ใน DMA ในสภาพพร้อมสำหรับการวัดผลในโหมดการบิด

สไลด์ 23: การนำไปใช้งาน 1: DMA - โหมดความตึง

ในสไลด์นี้ เราเห็นผลของการวัด DMA ของฟิล์มที่มีองค์ประกอบของวัสดุย่อยสลายได้ทางชีวภาพ

การวัดผลนี้กระทำในโหมดการตึงในอุณหภูมิตั้งแต่ลบ 175 องศาเซลเซียส ถึง 140 องศา (-175 °C ถึง 140 °C) ภายใต้อัตราการให้ความร้อนที่ 2 เคลวินต่อนาที (2 K/min) และที่ความถี่ 5 เฮิร์ตซ์ (5 Hz) ในแผนภาพนี้ กราฟยังส์โมดูลัส (E') มีสีแดง และกราฟ Loss Factor หรือ แทนเดลต้าเป็นสีน้ำเงิน

ในอุณหภูมิที่ต่ำมากนั้น ตัวอย่างจะแสดงพีคไม่ชัดเจนมากนักของการคลายความเครียดทุติยภูมิ หรือการคลายตวามเครียดเบต้า ที่อุณหภูมิลบ 35 องศา (-35 °C) และ 65 องศา (65 °C) โมดูลัสจะลดลงมากกว่า 1 decade ในขณะที่ค่า Loss Factor หรือ แทนเดลต้าจะพุ่งขึ้นสู่จุดสูงสุด พฤติกรรมนี้พบได้เป็นปกติสำหรับการเปลี่ยนสถานะคล้ายแก้ว หรือการคลายความเครียดอัลฟ่า (alpha-relaxation)

วัสดุเชิงประกอบนี้จึงมีส่วนประกอบของวัสดุอย่างน้อยสองชนิดที่มีอุณหภูมิที่จะทำให้เกิดการเปลี่ยนสถานะคล้ายแก้วที่แตกต่างกัน ที่อุณหภูมิประมาณ 100 องศา (100 °C) โมดูลัสจะเพิ่มขึ้นมากกว่าครึ่ง decade พฤติกรรมนี้เป็นเรื่องปกติสำหรับการเกิดปฏิกิริยาการเกิดผลึกแบบอุณหภูมิสูงขึ้น ซึ่งเป็นส่วนหนึ่งของสารประกอบที่ต้องการอุณหภูมิสูงกว่าในการที่จะทำให้เกิดการเปลี่ยนสถานะคล้ายแก้วเป็นผลึก ตัวอย่างเริ่มมีความแข็งขึ้นและโมดูลัสเพิ่มขึ้น ที่ประมาณ 120 องศา (120 °C) โมดูลัสแสดงให้เห็นว่าลดลง แทนเดลต้าเพิ่มขึ้น และผลึกโพลิเมอร์หลอมเหลว

สไลด์ 24: การนำไปใช้งาน 2: DMA Master Curve สำหรับการตึง

ในการนำไปใช้งานก่อนหน้านี้ เราได้พิจารณาผลการขึ้นกับอุณหภูมิของกระบวนการคลายความเครียดที่แตกต่างกันซึ่งถูกวัดที่ความถี่เดียว

ในขณะนี้ เราจะมาพิจารณาโมดูลัสสะสม (E’) และโมดูลัสสูญเสีย (E’’) ด้วยฟังก์ชันของความถี่สำหรับอุณหภูมิอ้างอิงที่ตั้งไว้ โดยปกติแล้ว จะมีช่วงอุณหภูมิบางช่วงเท่านั้นที่สามารถใช้เพื่อการวัดผลได้

แต่หลักการการทับซ้อนของเวลาและอุณหภูมิยังสามารถสร้างMaster Curveจากการวัดแบบขึ้นกับความถี่ในสภาวะอุณหภูมิคงที่ หรือที่เรียกว่าเซ็กเมนต์เวลาและอุณหภูมิ (TTS) เพื่อการได้มาซึ่งอุณหภูมิอ้างอิงโดยเฉพาะ อุณหภูมิอ้างอิงนี้สัมพันธ์กับอุณหภูมิของส่วน TTS ที่ไม่มีการเปลี่ยนปลง ส่วน TTS ซึ่งวัดที่อุณหภูมิที่สูงกว่านั้น ถูกเปลี่ยนไปยังความถี่ที่ต่ำกว่า และภาคส่วน TTS ซึ่งวัดที่อุณหภูมิต่ำกว่านั้น ถูกเปลี่ยนไปยังความถี่ที่สูงกว่า จนกว่าจะเกิดการคาบเกี่ยวที่ดีที่สุดเท่าที่จะเป็นไปได้ที่ตำแหน่งปลายสุดของแต่ละภาคส่วน สิ่งที่จำเป็นต้องมีก่อนคือตัวอย่างนี้จะต้องเป็นเนื้อเดียวกัน อุณหภูมิคงที่ และเป็นอสัณฐานหรือไม่มีรูปผลึก

สไลด์นี้แสดงผลของการสร้างกราฟเส้น Master Curve สำหรับโคโพลิเมอร์ย่อยสลายได้ทางชีวภาพ สำหรับความถี่ตั้งแต่ 10 ถึง -12 เฮิร์ตซ์ ถึง 10 ถึง -18 เฮิร์ตซ์ (10^-12 Hz ถึง 10^-18 Hz) การวัดผลนี้ทำด้วยเครื่อง DMA 1 ในช่วงอุณหภูมิตั้งแต่ลบ 80 ถึง 80 องศาเซลเซียส (-80 °C ถึง 80 °C) ที่ช่วงห่างอุณหภูมิที่ 5 เคลวิน (5 K) แต่ละสีตรงกับการวัดผลความร้อนคงที่ที่ความถี่แตกต่างกัน 5 ความถี่ ตั้งแต่ 1 ถึง 20 เฮิร์ตซ์ (1 Hz ถึง 20 Hz)

จะเห็นกระบวนการคลายความเครียดสองแบบ ได้แก่ ที่ความถี่สูงกว่าคือการเปลี่ยนสถานะคล้ายแก้วในส่วนโพลิเมอร์แบบนิ่ม และที่ความถี่ต่ำกว่าคือการเปลี่ยนสถานะคล้ายแก้วในส่วนแข็ง

จะเห็นผลได้ค่อนข้างชัดเจนว่าเทคนิคการสเปกโตรสโคปีเชิงกลอนุญาตให้เราได้ข้อมูลอย่างละเอียดเกี่ยวกับสมบัติของวัสดุในขอบข่ายความถี่ที่กว้างมาก

สไลด์ 25: การนำไปใช้งาน 3: DMA - แรงดึงความเค้น-ความเครียด

การนำไปใช้งานแบบสุดท้ายแสดงให้เห็นพฤติกรรมความเค้น-ความเครียดของเส้นใยฝ้ายที่พบได้ทั่วไปในเชิงพาณิชย์ ในความเข้าใจโดยกว้างแล้ว ฝ้ายสามารถมองเป็นโพลิเมอร์ชีวภาพได้ เนื่องจากประกอบด้วยเซลลูโลสเป็นหลัก

สมบัติเชิงกลแบบ Quasi-static สามารถอธิบายได้ด้วยกราฟความเค้น-ความเครียดของการเปลี่ยนสภาพช่วงกว้าง ในกรณีนี้ เส้นใยได้รับแรงดึงเพิ่มขึ้น และวัดการเปลี่ยนแปลงความยาว

แผนภาพแสดงกราฟเส้นโค้งความเค้น-ความเครียดที่ 30 องศาเซลเซียส (30 °C) สำหรับการเปลียนสภาพไม่มาก จะพบความสัมพันธ์เชิงเส้นระหว่างความเค้นและความเครียด ความชันของกราฟสูงสุดประมาณ 0.5% ของการเปลี่ยนสภาพ เป็นโมดูลัสยืดหยุ่นซึ่งมีค่าอยู่ที่ประมาณ 20 กิกะปาสคาล (20 GPa) ในขอบเขตที่ไม่เป็นแบบเชิงเส้น กราฟจะค่อย ๆ ราบลง และโมดูลัสลดลง

การทดลองความเค้น-ความเครียดใน DMA ทำให้ความแข็งแรง ความแข็ง และพฤติกรรมการขยายตัวของเส้นใยสามารถวัดและเปรียบเทียบได้ นอกจากนั้น สมบัติของวัสดุเหล่านี้สามารถตรวจสอบได้ภายใต้สภาวะความชื้นสัมพัทธ์ที่แตกต่างกันหรือในอ่างน้ำ และสุดท้าย การวัดผลนี้จะช่วยให้เราได้ข้อสรุปเกี่ยวกับสมบัติของสิ่งทอที่ทำมาจากเส้นใยที่แตกต่างกันอีกด้วย

สไลด์ 26: สรุป 1

ตารางนี้สรุปการเกิดกราฟแบบต่าง ๆ ซึ่งกำหนดคุณลักษณะของโพลิเมอร์ชีวภาพ และเทคนิคที่แนะนำสำหรับการตรวจสอบผลกระทบต่าง ๆ ช่องสีแดงหมายถึงเทคนิคนั้น ๆ เป็นเทคนิคที่แนะนำเป็นอย่างยิ่ง ช่องสีน้ำเงินหมายถึงเทคนิคนั้น ๆ สามารถใช้ได้เช่นกัน

ผลสำคัญที่สามารถวิเคราะห์ได้โดยเทคนิค DSC คือการเปลี่ยนสถานะคล้ายแก้ว พฤติกรรมการหลอมเหลว เอนทาลปีของปฏิกิริยา และอิทธิพลของสารเติมเต็ม

สำหรับ TGA การนำไปใช้งานหลักคือการวิเคราะห์องค์ประกอบ ความเสถียรเชิงความร้อน และพฤติกรรมการระเหย

โดยทั่วไป TMA ใช้สำหรับศึกษาการขยายหรือการหดของวัสดุ

DMA เป็นวิธีการที่ดีที่สุดสำหรับการหาคุณลักษณะของพฤติกรรมความหยุ่นหนืดในวัสดุ

สไลด์ 27: สรุป 2

สไลด์นี้แสดงภาพรวมของช่วงอุณหภูมิของเครื่อง DSC, TGA, TMA และ DMA ของ METTLER TOLEDO

โดยทั่วไปแล้ว การทดลอง DSC จะทำที่อุณหภูมิระหว่างลบหนึ่งร้อยห้าสิบองศาเซลเซียส (–150 °C) และเจ็ดร้อยองศา (700 °C) ช่วงอุณหภูมิดังกล่าวอาจแตกต่างออกไปถ้าใช้อุปกรณ์พิเศษหรืออุปกรณ์เสริม

การทดลอง TMA จะทำที่อุณหภูมิระหว่างลบหนึ่งร้อยห้าสิบองศาเซลเซียส (-150 °C) และหนึ่งพันหนึ่งร้อยองศา (1100 °C)

ตัวอย่าง DMA จะถูกวัดที่อุณหภูมิระหว่างลบหนึ่งร้อยห้าสิบองศาเซลเซียส (-150 °C) ถึงหกร้อยองศา (600 °C)

โดยปกติแล้ว การวัด TGA จะเริ่มที่อุณหภูมิห้อง อุณหภูมิที่เป็นไปได้สูงสุดจะอยู่ที่ประมาณ 1,600 องศา (1,600 °C)

สไลด์ 28: สำหรับข้อมูลเพิ่มเติมเกี่ยวกับโพลิเมอร์ชีวภาพ

สุดท้ายนี้ ผมอยากจะให้คุณดูข้อมูลเกี่ยวกับการวิเคราะห์เชิงความร้อนของโพลิเมอร์ชีวภาพ ซึ่งคุณสามารถดาวน์โหลดได้ทางอินเตอร์เน็ต

METTLER TOLEDO ตีพิมพ์บทความเกี่ยวกับการวิเคราะห์เชิงความร้อนและการนำไปใช้งานจากหลากหลายวงการ โดยตีพิมพ์ปีละสองครั้งใน UserCom นิตยสารเชิงเทคนิคสำหรับลูกค้ารายซึ่งเป็นที่รู้จักกันอย่างดี ฉบับย้อนหลังสามารถดาวน์โหลดได้ในรูปแบบ PDF จาก www.mt.com/usercoms ดังที่เห็นได้กลางสไลด์นี้

การนำไปใช้งานหลากหลายรูปแบบสามารถพบได้ในหนังสือคู่มือ "Thermoplastics" และ "Thermal Analysis in Practice"

สไลด์ 29: สำหรับข้อมูลเพิ่มเติมเกี่ยวกับการวิเคราะห์เชิงความร้อน

นอกจากนี้ คุณสามารถดาวน์โหลดรายละเอียดเกี่ยวกับการสัมมนา คู่มือการนำไปใช้งาน หรือข้อมูลอื่น ๆ โดยทั่วไปจากที่อยู่อินเตอร์เน็ตที่มีให้ในสไลด์นี้

สไลด์ 30: ขอขอบคุณ

ผมขอจบการนำเสนอเกี่ยวกับการวิเคราะห์เชิงความร้อนของโพลิเมอร์ชีวภาพแต่เพียงเท่าน ขอขอบคุณมากสำหรับความสนใจและความตั้งใจของคุณ