toplinska analiza dr.sc.emi govorčin bajsić,izv.prof. zavod za
TRANSCRIPT
1
TOPLINSKA ANALIZA
Dr.sc.Emi Govorčin Bajsić,izv.prof.
Zavod za polimerno inženjerstvo i organsku kemijsku tehnologiju
Karakterizacija materijala
2
Molecules are friendly,willing to communicate; all you need to do is
Listen!!!
Prof. Christopher Y.Li
3
“Ova supstancija,što god to bilo,uzrokom je topline,drugim riječima,osjećaj koji nazivamo toplina uzrokovan je akumulacijom ove supstancije, međutim ne možemo to jasno definirati toplinom, jer će isto ime neprikladno izražavati oboje uzrok i utjecaj.”
4
Toplina: oblik energije - proporcionalna je kinetičkoj energiji gibanja molekula (premještanje ,rotacija i vibracija molekula)
Toplina može spontano prijeći s toplijeg tijela na hladnije radijacijom, kondukcijom ili konvekcijom
Jedinica:J (m2kgs-2 ) , 1cal=4.184J
dQ=dU+pdV
Q-toplina, U-zaostala energija, p-tlak, V-volumen
H= U+pV H-entalpija
Cp= dQ/dT = (∂H / ∂T) p,n
Temperatura: parametar topline
5
Materijali:
Važnost svojstava materijala
• Dobro određena svojstva materijala važna su za njegovu primjenu
Svojstva materijala
toplinska
mehanička
kemijska
električna
Toplinska svojstva materijala:odgovor materijala na primijenjenu toplinu
•Dobro definirana svojstva omogućavaju nam odgovor na pitanja kao
•Kako materijali mijenjaju strukturu zagrijavanjem?
•Kako prenose toplinu?
•Kako se mijenja njihova temperatura zagrijavanjem?
•Na kojoj temperaturi se mogu koristiti?
6
Važnija toplinska svojstva materijala
•Toplinski kapacitet c•Toplinsko širenje (ekspanzija) α•Toplinska provodnost k
Toplinski kapacitet :sposobnost materijala da absorbira toplinu iz okoline
Razlikujemo toplinski kapacitet pri stalnom tlaku (Cp) i toplinski kapacitet pri
stalnom volumenu (CV). Kada se radi o jednom molu tvari govorimo o molarnom
toplinskom kapacitetu pri stalnom tlaku (Cp,m) i molarnom toplinskom kapacitetu
pri stalnom volumenu (CV,m).
Jedinica:J/mol-K ili cal/mol-K
7
Toplinsko širenje (ekspanzija)Promjena dužine materijala uzrokovana promjenom temperature, može se prikazati matematičkim izrazom
l0 i lf- početna i konačna dužina materijala pri početnoj
temperaturi To ,odnosno konačnoj temperaturi Tf
Parametar α predstavlja linearni koeficijent toplinskog širenja (ekspanzije)(oC) -1
ili
Koje su tipične vrijednosti α?i u kojem području ?
•Keramika 0.5x10-6 /oC do 15x10-6 /oC
•Metali 5x10-6 /oC do 25x10-6 /oC
-Niski α uslijed relativno jakih veza između atoma
-α anorganskog stakla ovisi o sastavu
•Polimeri 50x10-6 /oC do 400x10-6 /oC
-najveće vrijednosti α za linearne i razgranate polimere uslijed slabih sekundarnih međumolekulnih veza, kod kojih je minimalno umreženje.Povećanjem umreženja α se smanjuje
8
Meki materijali Veliki α
Tvrdi materijali Mali α
• Općenito, αkeramike ili stakla < α metala < αpolimera
Zagrijavanjem ili hlađenjem materijala u čvrstom stanju dolazi do promjene volumena s temperaturom što se može prikazati izrazom:
ΔV-promjena volumena u temperaturnom intervalu ΔT
Vo-volumen uzorka pri temperaturi To
αv- volumni koeficijent toplinskog širenja
9
Toplinska provodnost (k) je količina topline koja se prenese, pri standardnim uvjetima u smjeru okomitom na površinu, pri razlici temperatura od 1 K. Jedinica za toplinsku provodnost je W·m-1K-1.
q – toplinski tok, k- toplinska provodnost, ∂T/ ∂ x – temperaturni gradijent kroz vodljivi medij
•Općenito, k polimera < k keramike ili stakla < k metala
11
Svojstva materijala
AditiviPunila,katalizatoriOmekšavalaAntioksidansi
Nečistoće
Priroda materijalaČistiKompozitMješavina
PreradbaToplinska obradaMehaničko naprezanjeSkladištenje i primjena
Fizikalna svojstva
•Specifični toplinski kapacitet
•Fazni prijelazi
•Gubitak mase
•Mehanička svojstva kao deformacije,modul pohrane i modul gubitka
•Optička svojstva kao reflektibilnost
•Propusnost ili luminescencija (emisija elektromagnetskog zračenja)
12
Toplinska analiza
ICTAC (International Confederation of Thermal Analysis and Calorymetry
“grupa tehnika u kojima se svojstva materijala mjere u funkciji temperature”
ZagrijavanjeToplinski kapacitet
EkspanzijaYangovmodul
TaljenjeTalište
KristalnostOmekšavanje
Čistoća
OksidacijaOITStabilizatoriGorenje
RazgradnjaTemperaturaSastavKinetika
Temperatura
Toplinska svojstva
13
Krutina Tekućina
Staklište
Talište
Temperatura
Temperatura
Amorfno
Kristalno
Polimeri:
•Amorfni
•Kristalni
Djelomično kristalan polimer
Kristalna faza
- Zagrijavanjem se tali i kod DSC tehnike imamo endotermni pik
Amorfna faza
- Zagrijavanjem omekšava i daje Tg
14
Staklasto stanjeamorfne krutine,krut,lomljiv
Viskoelastično stanjeelastomeri
Staklište
• Svojstvo amorfnih materijala
• U staklastom stanju (T<Tg), molekule su zamrznute.Mogu samo neznatno vibrirati, ali se ne pokreću
• U viskoelastičnom stanju (T>Tg) polagano pokretanje molekula
• Staklište je mjera promjene toplinskog kapaciteta
15
Fizikalna svojstva koja se mijenjaju s TgSpecifični toplinski kapacitetSpecifični volumenKoeficijent toplinske ekspanzijeGustoćaRefrakcijski indeks (lomnost)Mehanički moduli, tj.Young-ov modul i smični modulDielektrična konstanta
-rezolucija
- brzina zagrijavanja
Određivanje Tg-a DSC tehnikom
16
Određivanje Tg-a , DSC analiza
Utjecaj brzine hlađenja na Tg
Sporo hlađenje: molekule polimernog lanca imaju više vremena za orijentaciju i kristalizaciju
kristalnost veća
Brzo hlađenje: molekule polimernog lanca imaju manje vremena za orijentaciju i kristalizaciju kristalnost manja
18
Tehnike toplinske analize
Diferencijalna pretražna
kalorimetrija
(DSC,DTA)
Fizikalni i
kemijski procesi
Termogravimetrija
(TG, DTG)
Gubitak mase,
Razgradnja,
Oksidacija
dH/dtMasa,dm/dt
Termomehanička analiza (TMA)Dilatometrija (DIL)Dinamičko mehanička analiza (DMA)
DeformacijeVolumen i tlak
moduli
Promjena dimenzija
Deformacije,
Gustoća
Viskoelastičnasvojstva,prijelazi
19
Što je toplinski analizator?
Diferencijalna pretražna kalorimetrija DSC
•Kalorimetrija mjeri dovedenu ili oslobođenu toplinu
•Diferencijalna kalorimetrija mjeri toplinu uzorka u odnosu na referentni uzorak
•Diferencijalna pretražna kalorimetrija mjeri sve gore navedeno i zagrijava/hladi uzorak uz linearni porast temperature
20
DSC-DIFERENCIJALNA PRETRAŽNA KALORIMETRIJA
• mjeri toplinski tok povezan sa strukturom (amorfna i kristalna) i strukturnim promjenama (prijelazi) materijala
• Toplinski tok-funkcija vremena i temperature
• Sve promjene uključuju apsorpciju ili otpuštanje topline
• Kvantitativna i kvalitativna informacija o fizikalnim i kemijskim promjenama materijala
• Kontrolirana atmosfera
• Linearni temperaturni program
21
Diferencijalna pretražna kalorimetrija DSC
DSC je najviše korištena toplinska tehnika toplinske analizeDSC mjeri endotermne i egzotermne prijelaze u funkciji temperature
Koristi se kod karakterizacije polimera, farmaceutskih spojeva,hrane, organskih i anorganskih kemikalija, gline,minerali,metali,itd.
Prijelazi koji se mjere uključuju: Tg,Tm,Tk, % kristalnosti, očvršćivanje (curing),kompatibilnost, toplinska stabilnost, OIT, razgradnja
Tipovi DSC instrumenataDiferencijalna pretražna kalorimetrija s mogućnošću kompenzacije snage
Mjeri se razlika u snazi koja je potrebna za održavanje uzorka i reference na istoj temperaturi pri kontroliranom temperaturnom programu
23
•Konstantna brzina zagrijavanja
-početna temperatura
-konačna temperatura
-Brzina zagrijavanja (oC)-Toplinski tok uzorka – toplinski tok reference/vrijeme(temperatura)
DSC
Toplinska svojstva koji se mjere uključuju: Tg,Tm,Tk, % kristalnosti, očvršćivanje (curing),kompatibilnost, toplinska stabilnost, OIT, razgradnja
•Konstantna brzina zagrijavanja
-početna temperatura
-konačna temperatura
-Brzina zagrijavanja (oC)
-Temperatura uzorka/ vrijeme (temperatura)
-Temperatura reference/vrijeme (temperatura)
DTA
24
•Konstantna brzina zagrijavanja
-početna temperatura
-konačna temperatura
-Brzina zagrijavanja (oC)
-Dimenzije uzorka/ vrijeme (temperatura)
•Koeficijent toplinske ekspanzije
•Volumne promjene kod kristalizacije
•Staklište kod polimera
TMA
25
U tehnici modulacijske DSC, u odnosu na standardnu DSC tehniku, primjenjuje se sinusoidalna (modulacijska) brzina zagrijavanja umjesto uobičajenog linearnog temperaturnog programa, s ciljem dobivanja informacija o toplinskim svojstvima materijala. Signal s DSC aparata (toplinski tok) odjeljuje se u dvije komponente, jedna komponenta je tzv. «povrativa», u fazi s primijenjenom sinusnom pobudom, dok je druga «nepovrativa», izvan faze. Ukupni toplinski tok (dQ/dt) zbroj je dvaju tokova. Temperaturni program kod MDSC karakteriziraju brzina zagrijavanja, period modulacije i temperaturna amplituda modulacije.
MDSC
26
Reversible Transitions (povrativi prijelazi)
•Staklište
•Talište
Non-reversible (nepovrativi)
•Kristalizacija
•Umrežavanje (curing)
•Oksidacija/degradacija
•Isparavanje