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差示掃描量熱儀DSC 214 Polyma
差示掃描量熱儀DSC 214 Polyma

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德國

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圓派科學儀器(上海)有限公司

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差示掃描量熱儀 DSC 214 Polyma
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DSC 測量的新型整體解決方案

操作簡單、功能強大、測量精確、日常使用方便 — 這些都是創(chuàng)新型 DSC 214 Polyma 的優(yōu)異特性。這款儀器設計獨特,無論用戶是初學者還是經(jīng)驗豐富的專業(yè)人士,都能滿足其需求。尤其是開發(fā)了兩款新軟件:自動分析與曲線識別,樹立了 DSC 新的標準,這些將引發(fā) DSC 分析的**。

**臺可快速冷卻的熱流型 DSC

DSC 214 Polyma 配備熱質(zhì)量非常低的橢圓形爐體(Arena®爐體),**升溫/冷卻速率可達 500K/min,這是熱流型 DSC ****的。相對于通常采用的 10K 或 20K/min 的降溫速率,可以實現(xiàn)更接近于實際加工的溫度程序。

開創(chuàng)性傳感器技術(shù)

新型**技術(shù)的 Corona®傳感器中間為鉻鎳合金,外環(huán)為康銅合金。兩種材料通過擴散焊接連接。Corona®傳感器具有極高的靈敏度和重復性,加上新型**技術(shù)的 Concavus®坩堝,成就了儀器**的重現(xiàn)性。

新型鋁坩堝與獨特的包裝盒

Convavus®坩堝是隨 DSC 214 一起推出的全新設計的鋁坩堝。坩堝底部增加了特殊的加強環(huán),可保證坩堝底面和 DSC 傳感器底面穩(wěn)定、良好的熱接觸,顯著提高了測量結(jié)果的重復性。Concavus®坩堝的**技術(shù)設計,能提高所有 DSC 測量的重復性,所以適用于耐馳及市場上所有熱流型 DSC。

專為 Concavus 坩堝設計的 3in1 Box 包裝盒能為坩堝的運輸與儲存提供全面的保護,且防止由靜電導致的坩堝之間的粘連。每個盒子都配有樣品標簽卡,方便樣品及測量結(jié)果的存檔,這尤其適用于需要長期保存樣品,定期復測的應用場合。

三位一體

通過熱質(zhì)量非常低的 Arena®爐體、堅固的高靈敏度的 Corona®傳感器、與設計獨特的 Concavus®坩堝三者的結(jié)合,使得 DSC 214 Polyma 具有**的性能表現(xiàn)。

DSC 214 Polyma - 技術(shù)參數(shù)

DSC 214 - 軟件功能

Proteus®7.0:省時省力的軟件

簡化的程序設置用戶界面(SmartMode),一鍵自動曲線分析(AutoEvaluation),和未知曲線的識別功能(Identify)是軟件的關鍵功能,能夠為其他任務大大節(jié)省時間。即使沒有經(jīng)驗的使用者也能夠快速安全的得到有意義的結(jié)果。

當用戶較好地掌握了 DSC 操作技能之后,可以利用專家模式使用 Proteus®軟件的所有功能。對于使用 AutoEvaluation 得到的結(jié)果也能夠進行手動處理和重新計算,這使得經(jīng)驗豐富的使用者能夠全面掌握分析過程。

Proteus®軟件的 7.0 版本是特別針對 DSC 214 Polyma,能夠與 WindowsXP, Windows 7 或 Windows 8.1 兼容。軟件與儀器配套使用,并且能夠在另外的電腦上安裝使用。

智能模式(SmartMode)— 通往高效的捷徑

隨著 DSC 214 Polyma 的推出,新型的智能模式軟件界面也隨著誕生。

由于其直觀的界面具有清晰的結(jié)構(gòu)、導航的一致性和用戶友好性,即使沒有任何經(jīng)驗的使用者也能很快的找到使用方法。

在 Wizards 的菜單目錄下,有一系列常規(guī)的預定義測試方法。這些方法只需要極少的輸入就能夠?qū)崿F(xiàn)一鍵測試。這些方法還能夠互相組合。預定義方法包含了 NETZSCH 聚合物物性海報中的所有材料對應的測試方法,能夠立即開始測試??蛻粼O定方法則可以讓用戶保存之前的測試方法以便下一次測試使用。

自動分析(AutoEvaluation)— 完全自動的分析方法

自動分析(AutoEvaluation)是一種全新開發(fā)的軟件功能,能夠一鍵自動分析熱塑性聚合物、橡膠和樹脂等未知材料的曲線。自動分析功能首先分析的是 DSC 曲線上的關鍵效應如玻璃化轉(zhuǎn)變、熔融峰,然后分析的是其他熱效應如重結(jié)晶。通過軟件的智能計算,即能使用戶獲得本來需要專業(yè)知識才能獲取的信息,這在熱分析發(fā)展史上,尚屬首創(chuàng)。

曲線識別(Identify) — 使每一個用戶都成為專家

曲線識別(Identify)是一個很特別的工具,只需輕輕一擊就能夠自動識別解析曲線。軟件的這部分功能是為了進行材料識別和質(zhì)量控制而設計的。給定材料的曲線特性和軟件集成的數(shù)據(jù)庫相比,能夠自動識別材料的類型。在 DSC 技術(shù)領域中,數(shù)據(jù)庫比對是****的。識別功能的數(shù)據(jù)庫中不僅包含了 NETZSCH 的典型聚合物曲線譜庫,還能通過添加用戶自己的聚合物或復合物的曲線進行擴展??梢允褂糜脩糇远x的質(zhì)量標準進行產(chǎn)品類別設定??梢詫⒛承┡蔚臉悠放c另一些批次進行客觀比較 — 這在質(zhì)量控制和失效分析領域中尚屬首創(chuàng)。

自動校正(AutoCalibration)— 必要步驟的簡化

DSC 儀器校正是 DSC 測試正確的先決條件。這能確保儀器在預設的參數(shù)內(nèi)進行測試。但是校正程序本身應該簡單快速,理想情況是能夠一次性完成。解決的方法是自動校正。這種特殊的軟件功能為普通的標準測試提供了預定義的校正方法,并對校正測試進行全自動分析,如分析熔融峰值,計算校正曲線和檢查其有效性。因此自動校正簡化了耗時的常規(guī)任務。

DSC 214 - 應用實例

使用 DSC 進行聚合物質(zhì)量控制—進貨檢驗

圖中顯示了看似相同的兩種顆粒的 DSC 曲線,樣品為 PA66,分別在不同時間交付(以 20K/min 的速率降溫后二次升溫)。藍色曲線(舊樣)上在 63°C 出現(xiàn)玻璃化轉(zhuǎn)變,263°C 出現(xiàn)熔融峰,均為 PA66 的典型表現(xiàn)。在新料(紅色曲線)上則出現(xiàn)了雙峰,峰值溫度為 206°C 和 244°C。這表明新料中可能存在與 PA66 共混的第二種聚合物。

樣品質(zhì)量:11.96 mg(藍色)和11.85mg(紅色);在動態(tài) N2 氣氛下以 20K/min 降溫后再以 20K/min 升溫至 330°C。


使用 DSC 進行聚合物質(zhì)量控制—氧化穩(wěn)定性

OIT 測試(氧化誘導時間)是用于評價聚合物特別是聚烯烴耐氧化性的常用測試方法。在這個例子中,兩個 PP 樣品在動態(tài)氮氣氣氛下加熱到 200°C。在加熱過程中檢測到的吸熱峰對應于聚丙烯的熔融。在 200°C 恒溫 3 分鐘,將氣體切換至空氣。其后出現(xiàn)的放熱效應為聚合物的氧化分解。此例中,樣品A(OIT 6.6分鐘)比樣品B(OIT 11.6分鐘)更早的發(fā)生了氧化反應。

樣品質(zhì)量:9.48mg(樣品A)和 9.55 mg(樣品B);在 N2 氣氛(50 ml/min)下以 20K/min 加熱至 200°C,在 N2 下恒溫 3min;在空氣下(50ml/min)恒溫直至分解。


橡膠的低溫性能測試 - SBR 橡膠的二次升溫

右圖所示為 SBR 橡膠樣品在 -100℃ 到 220℃ 間的兩次升溫曲線,兩次升溫過程中都測得 -47℃(中點)的玻璃化轉(zhuǎn)變,且 0℃ 到 70℃ 間都有個較寬的吸熱峰,猜測為添加劑的熔融。僅在一次升溫過程中檢測到峰值為 169℃ 的放熱峰,為彈性體后固化過程。


熱塑性聚氨酯的熱性能測試

下圖為熱塑性聚氨酯(TPU)樣品的測試結(jié)果。一次升溫過程中,玻璃化轉(zhuǎn)變出現(xiàn)在 -42°C,為樣品中鏈段的軟化過程。一次升溫過程中在 100°C 到 210°C 有兩個吸熱峰,二次升溫過程中只檢測到其中一個由熔融(熱塑性組分)引起的可逆轉(zhuǎn)變(7.40J/g),不可逆轉(zhuǎn)變的峰(207°C)為易揮發(fā)組分或添加劑的揮發(fā),這種揮發(fā)導致玻璃化轉(zhuǎn)變溫度升高,二次升溫過程中檢測到玻璃化轉(zhuǎn)變溫度為 -28°C。

樣品質(zhì)量:10.47mg,N2 氣氛,以 10K/min 的速率從 -100°C 升溫至 250°C,兩次升溫


半結(jié)晶熱塑性材料的等溫結(jié)晶

DSC 214 Polyma 配合 IC70 機械制冷,測試 PA66 GF30(30%wt 玻璃纖維)的等溫結(jié)晶過程。較低的爐體熱質(zhì)量,使得爐腔內(nèi)部可在幾秒內(nèi)實現(xiàn) 60℃ 的降溫。在這個前提下,才有可能將 PA66 的結(jié)晶過程(17min 附近的結(jié)晶峰)和溫度調(diào)整引起的曲線波動(15.4min 至 16min 之間的曲線波動)分開。同時從溫度曲線可見,在急速降溫時溫度過沖極小,說明 DSC214 Polyma 具有杰出的冷卻性能。


回收料的影響—失效分析

本例中研究的是兩種用于注塑成型的聚丙烯回收料,材料 A 在注塑過程結(jié)束的時候已完全結(jié)晶,而材料 B 仍處于熔融狀態(tài),通過 DSC 測試,可以分析兩種材料結(jié)晶行為存在差異的原因。

降溫過程中的放熱峰為高聚物的結(jié)晶過程?;厥樟?A(藍色曲線,結(jié)晶起始點 126℃)的結(jié)晶起始溫度高于回收料 B(紅色曲線,結(jié)晶起始點 122℃)。

除了峰值為 121℃(藍色曲線)和 118℃(紅色曲線)的主峰外,還有 97℃ 的峰(藍色曲線)和 107℃ 的肩峰(紅色曲線),小的吸熱峰說明材料中還存在另外一種組分,材料 A 中的這一組分導致了較早的成核過程。

PP 再生料的不同結(jié)晶行為

樣品質(zhì)量:約 13mg,N2 氣氛,升溫至 200℃ 后以 10K/min 速率冷卻

通過二次升溫曲線可做進一步驗證,除了 165℃ 和 163℃ 的吸熱峰(PP材料典型的熔融峰),藍色曲線在 110℃ 和 124℃ 還有兩個吸熱峰,說明材料 A 中還含有 LDPE、LLDPE 或 HDPE(熔融溫度隨密度增大而升高)等額外的組分。相反,材料 B 中僅在 126℃ 有一個小的吸熱峰。

混入了不同 PE 雜質(zhì)的 PP 再生料的熔融

樣品質(zhì)量:約 13mg,N2 氣氛,以 10K/min 速率冷卻后再以 10K/min 升溫至 200℃


注塑成型的工藝參數(shù)優(yōu)化

半晶態(tài)高聚物(如 PBT)的結(jié)晶行為隨冷卻歷史不同而變化,這對于預估實際生產(chǎn)過程中的開模、取出成品部件的溫度非常重要。

本例顯示的是含 30%wt 玻璃纖維的PBT材料,以多種不同的降溫速率(20K/min到200K/min)冷卻后的升溫曲線。

升溫過程統(tǒng)一采用 50K/min 的升溫速率,以 20K/min 速率冷卻后的升溫曲線(紅色)可以明顯的看到 PBT 材料典型的β相肩峰;以 50K/min 速率冷卻后的曲線(藍色)上β相吸熱峰的溫度降低,與主峰分的更開;而以 100K/min 和 200K/min 速率冷卻后的曲線(分別對應綠色和黑色)上只看到放熱的冷結(jié)晶過程,沒有β相的吸熱峰。

以不同速率冷卻后 PBT GF30 的升溫曲線

樣品質(zhì)量:10.1mg,升溫速率:50K/min

同時,下圖展示了不同降溫速率對 PBT 結(jié)晶行為的影響。以 20K/min(紅色)的速率降溫時,PBT 結(jié)晶起始于 194℃,結(jié)晶峰值溫度為 188℃。以 200K/min(黑色)的速率降溫時,結(jié)晶起始溫度為 171℃,峰值溫度為 156℃,120℃ 時曲線出現(xiàn)拐折,但此時結(jié)晶放熱過程仍未完成。

PBT 在不同的冷卻速率下的降溫曲線

樣品質(zhì)量:10.1mg,N 2 氣氛,降溫速率 20K/min、50K/min、100K/min 和 200K/min


環(huán)氧粘合劑的動力學分析

利用耐馳動力學軟件建立化學反應過程的動力學模型,可以在用戶定義的溫度條件下對化學反應體系的行為進行預測,以進行工藝優(yōu)化。

本例研究雙組分環(huán)氧粘合劑的固化過程,將三個樣品以不同速率(2K/min、5K/min 和 10K/min)升溫至 200℃,固化反應的峰值溫度隨升溫速率提高而升高。單步反應的動力學模型與試驗曲線基本重合,相關系數(shù)高于 0.999。因此,此模型可用于對等溫和用戶自定義的溫度程序下的反應進行預測。

單步反應的實測曲線(虛線)與理論曲線(實線)對比

下圖顯示的是不同溫度下恒溫時樣品的固化度隨時間的變化,由軟件基于動力學模型計算得到。在 120℃ 下恒溫 3min,樣品的固化度即達 95%,而在 110℃ 下達到同等固化程度需要恒溫 5min 以上。

不同溫度下等溫的固化反應預測

DSC 214 - 相關附件

DSC 214 Polyma 能夠根據(jù)客戶的要求配置多種附件進行系統(tǒng)優(yōu)化和擴展。

各種冷卻系統(tǒng)都能夠?qū)t體進行冷卻,無論是通過空氣壓縮機冷卻至室溫還是利用液氮系統(tǒng)將溫度降至 -170°C。低成本的機械制冷是除了液氮之外的另一個選擇,能夠在 -40°C 至 600°C(IC40)或 -70°C 至 600°C(IC70)溫度范圍內(nèi)使用。

NETZSCH 提供不同材質(zhì)的坩堝(鋁,銅,銀,高壓不銹鋼等等)以適用于幾乎所有應用和材料。可更換壓頭的壓機適用于冷焊的鋁坩堝和中壓不銹鋼坩堝。

為日常應用提供的能夠放置 20 個樣品的自動進樣器(ASC)也適用于不同的坩堝類型。

優(yōu)化樣品制備

利用 NETZSCH 的樣品制備套件,即使象玻纖增強的小顆粒或小塊狀材料都能很快地制備好。

選擇合適的 DSC, TGA 和 STA 坩堝對測試樣品的重要性

材質(zhì)**溫度組成尺寸/容量備注
Al(99.5)**600°CConcavus坩堝+蓋子5mm,30/40ul96套Concavus坩堝+蓋子,3in1Box,可壓制
Al(99.5)**600°C坩堝+蓋子6mm,25/40ul*100套或100套,可壓制**
Al(99.5)**600°C坩堝+蓋子(激光預穿孔,孔徑50um)6mm,40ul100套或500套,可壓制**
Al(99.5)**600°C坩堝6.7mm,85ul100片
Al(99.5)**600°C坩堝蓋100片,配套 85ul 坩堝

* 坩堝容積:蓋子正壓時為 40ul,反壓則為 25ul。

** 使用同一臺壓機可以密封所有標準型號的 Al 坩堝。

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