玻璃化转变温度测定仪

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1、 PerkinElmer Thermal Specialist 康 瑜 容 Tiffany KangTiffany.K Page 2 Differential Scanning Calorimetry (DSC) Thermogravimetric Analysis (TGA) Thermomechanical Analysis (TMA) Dynamic Mechanical Analysis (DMA)常 用 的 熱 分 析 方 法 Page 3 常 用 的 熱 分 析 方 法 DSC Heat flow vs. Temp- Tm, Tc, Tg- DH, curing time, cur

2、ing degree- Reaction rate, kineticsTGA Weight Loss vs. Temp - Decomposition temperature- %Wt percentage- Oxidative timeTMA Dimensional Change vs. Temp - CTE (a1, a2) - Tg- Softening point DMA Viscoelastic property vs. Temp - Storage/Loss/Complex Modulus (E, E”, E*)- tan d- Viscosity and master curve

3、 Page 4 高 分 子 材 料 結 構Type of Polymer Chain Structure Page 5 高 分 子 材 料 結 構Type of Polymer Chain Structure (Continued) Page 6 高 分 子 材 料 的 分 類 PolystryenePolycarbonatePolyurethanesPolysulfoneAmorphous LOW/MEDIUMNylonPETAcetal HIGHPPSPPHDPECrystallineThermoplastics(No chemical change on heating) Epoxies

4、PolyimidesPolyestersPhenolicsUncured RubberSiliconesNeopreneEpoxyCuredThermosets(Chemical change on heating)Polymers Page 7 Amorphous vs. Crystalline? Page 8 Semi-Crystalline Polymer Semi-crystalline polymers contain both amorphous AND crystalline phases Properties dominated by both Tg and Tm Semi-c

5、rystalline polymers can exhibit additional crystallization during heating Page 9 Thermosetting Polymer UNCURED PARTIALLY CURED TOTALLY CURED Page 10 Schematic Results in Thermal Analysis Page 12 Question? PE分 成 HDPE, LLDPE及 LDPE - 結 構 有 何 不 同 ? - 性 質 有 何 差 異 ? - 結 構 和 性 質 有 何 關 聯 性 ? 結 晶 的 過 程 為 何 ?

6、 加 工 條 件 對 結 晶 有 何 影 響 ? 結 晶 度 對 透 明 度 的 影 響 ? 添 加 劑 的 影 響 ? DSC可 解 決 哪 些 問 題 ? Page 13 What is DSC ? 示 差 掃 瞄 熱 卡 量 計 ( Differential Scanning Calorimeter ) : 將 樣 品 置 於 特 定 氣 氛 之 下 改 變 其 溫 度 環 境 或 維 持 在 一 固 定溫 度 之 中 去 觀 察 樣 品 其 能 量 變 化 ， 當 樣 品 發 生 熔 融 、 蒸發 、 結 晶 、 相 轉 變 等 物 理 現 象 ， 或 化 學 變 化 時 ， 圖 譜

7、中將 會 出 現 吸 熱 或 放 熱 帶 ， 進 而 可 推 測 樣 品 之 性 質 。 Page 14 Thermal Analysis applications - DSC Page 15 Polymer TransitionsHeatFlow TemperatureTgStressReliefOrderingProcess Cold Crystallization CuringTm DH DegradationStart upTransient Page 16 DSC Thermal Curve of PET吸 熱放 熱 Page 17 DSC for curing studies De

8、tection of Tg Onset of cure Maximum rate of cure (peak maximum) End of cure Heat of cure Page 18 DSC熱 示 差 掃 描 分 析 儀 之 應 用相 變 化 點 Phase Transition 熔 融 熱 DH玻 璃 轉 移 溫 度 Tg 反 應 熱 DH熔 點 Melting point 活 化 能 Ea冷 結 晶 溫 度 Crystal Temperature 氧 化 導 引 時 間 O.I.T.降 溫 結 晶 溫 度 Cold Crystal Temperature 反 應 動 力 學 Dy

9、namic結 晶 度 Crystallinity 交 連 Curing結 晶 熱 Crystal Energy 純 度 Purity結 晶 半 週 期 Crystal Period 比 熱 Cp Page 19 DSC的 設 計 方 式 Page 21 Thermal Analysis applications - TGA Page 22 TGA Design Concept Page 23 TGA Thermal Curves Page 24 主 要 元 件 p Temperature control device - Furnace, Thermocouplep Weight measur

10、ement device -Null Balance Detector Tare WeightSampleTorque Motor Page 25 TGA熱 重 分 析 儀 水 份 含 量 溶 劑 含 量 塑 化 劑 含 量 高 分 子 添 加 物 含 量 裂 解 溫 度 灰 份 含 量 無 機 添 加 物 含 量 氧 化 導 引 時 間 測 量 TGA-FTIR/TGA-MS 熱 穩 定 測 量 不 穩 定 材 質 測 試 異 味 材 質 測 試 添 加 物 種 類 測 試TGA-GC/MS 未 知 物 種 類 判 斷 混 合 溶 劑 判 斷 Page 26 TGA for composit

11、ional analysis Molding compound contains epoxy and filler Epoxy can be burned off and residue is inert reinforced filler TGA provides accurate and reproducible compositional data on molding compound Page 27 Pyris 1 TGA Page 29 Thermal Analysis applications DMA/TMA Page 30 What is DMA ? DMA (Dynamic

12、Mechanical Analyzer) 動 態 黏 彈 機 械 分 析 儀 將 樣 品 置 於 特 定 環 境 下 ， 偵 測 樣 品 在 溫 度 、 力 量 、或 頻 率 改 變 下 ， 其 機 械 性 質 變 化 的 情 形 ， 進 而 判定 材 料 的 特 性 。 Page 31 材 料 的 黏 彈 性 質 E Storage Modulus 儲 存 模 數 彈 性 性 質E” Loss Modulus 損 失 模 數 黏 性 性 質tan d = E” / EE”E Page 32 黏 彈 機 械 性 質 ex. 模 數 (Modulus), 黏 度 (Viscosity), 阻 尼

13、 相 (tan d) 微 小 的 相 變 化 ex. b,g- transition, Tg以 DSC/TMA測 量 不 易 者 活 化 能 (Activation Energy)計 算 預 測 材 料 使 用 壽 命 ex. Creep Recovery, Time-temp. superposition 模 擬 製 程 中 材 料 及 環 境 變 化 ex. Curing process, controlled humidity, Solvent Immersion 什 麼 時 候 您 需 要 DMA Page 33 黏 性彈 性o time o timeo timed = 0d = 90

14、o o o time od kDMA即 為 利 用 Sine Wave震 盪 方 式 , 測 量 回 應 的 分 析 儀材 料 的 黏 彈 性 質 Page 34 Idealized DMA ScanE/Pa Temperature /K Tm - melting (1)Rubbery Plateau (2)Ta or TgTb (6) (5) (4) (3) (2) (1) local bend side gradual large chainmotions and groups main scale slippagestretch chain chainTg (6)Rubbery plat

15、eau is related to Me between crosslinks or entanglements. For thermosets, no Tm occurs.Beta transitions are oftenrelated to the toughness. Tg is related to Molecular massup to a limiting value.For purely crystalline materials, no Tg occurs.In semicrystalline polymers,a crystal-crystal slip, Ta* occu

16、rs.Tll in some amorphouspolymers(5) (4) (3) Page 35 Frequency effects things too Transitions shift Behavior changes FrequencyE Morefluid Moreelastic Page 36 So frequency can act like temperature FrequencyETemperatureE Page 37 DMA 連 結 .材 料 結 構 特 性 製 程 加 工 特 性 成 品 特 性Molecular weightMW DistributionCha

17、in BranchingCross linkingEntanglementsPhasesCrystallinityFree VolumeLocalized motionRelaxation Mechanisms Stress StrainTemperatureHeat HistoryFrequencyPressureHeat setMaterialBehavior Dimensional StabilityImpact propertiesLong term behaviorEnvironmental resistanceTemperature performanceAdhesionTackP

18、eel Page 38 DMA 是 如 何 運 作 的 ? Storage ModulusLoss ModulusStatic ForceDynamic ForceFrequencyfAmplitude K Position Hold Sampled PhaseThermocoupleTotal Force LVDT Furnace Options from -190 to 600 CForce motorFixtures Page 39 多 樣 化 的 夾 具 選 擇 Options:Single CantileverDual Cantilever3 Point BendingTension

19、CompressionShearQuartz Shear Material Pocket Page 40 Exclusive Material Pockets Applications Powders like drugs, excipients, foods, natural products, etc. Gels Uncured adhesives Coatings Samples that cant support their own weightPocket open Sample in Pocket Pocket closed & sealed Page 41 DMA mode fo

20、r mechanical properties change This plot shows DMA results (E and tan delta) for cured substrate DMA gives the most sensitive measure of Tg DMA results show that substrate is incompletely cured as 2 split peak was found in tan delta around Tg Page 42 DMA most sensitive indicator of cure This plot sh

21、ows DMA results on completely cured and slightly under-cured PCBs Under-cured PCB exhibits a slight increase in E above Tg making the board unacceptable Modulus (E) 25 Temperature (C) 250 DMA Results onPCBsGood and Bad Rejected Acceptable Page 43 TMA mode for dimensional change Plot shows results on

22、 TMA expansivity of substrate 1st heat shows that the board contains built in stresses as a result of processing Stresses are released at Tg 2nd heat shows classic TMA Tg free of stress relief effects Page 44 Page 46 高 分 子 的 Tg 分 析 - 加 熱 歷 史 的 差 異 Page 47 結 晶 測 試 - 恆 溫 結 晶 Page 48 Epoxy Resin T (oC)

23、40 80 120 160 200 240 280 EndothermicHeat Flow (mW) Run 1 D H Run 2 113.3 oC62.8 oC 30 mw20 oC/min32.76 mgRange:Heating Rate:Weight: Page 49 Page 50 DSC Heat Flow Temperature DSC Tg As Function of Cure Less Cured More Cured Page 51 DSC Heat Flow Temperature Decrease in Cure Exotherm As Resin Cure In

24、creases Less Cured More Cured Page 52 填 充 物 Filler常 用 的 填 充 物 吸 水 性 環 氧 樹 脂 二 氧 化 矽 碳 黑 玻 璃 纖 維 Page 53 碳 黑 (Carbon)含 量 分 析 Polymer CarbonVolatiles Page 54 提 供 整 套 完 整 系 統 具 有 完 善 的 介 面 設 計 -加 熱 管 線 與 氣 體 樣 品 槽 具 有 專 業 的 TG-IR軟 體 -TimeBase SoftwareTGA/FTIR/Interface System Page 55 Page 56 TGA Weight loss vs.FTIR Spectrumweight vs Time Page 57 結 論