ΔΙΑΦΟΡΙΚΗ ΘΕΡΜΙΔΟΜΕΤΡΙΑ ΣΑΡΩΣΗΣ …...E.Spanakis - 2012 Σκοπός:...

33
E.Spanakis - 2012 ΔΙΑΦΟΡΙΚΗ ΘΕΡΜΙΔΟΜΕΤΡΙΑ ΣΑΡΩΣΗΣ DIFFERENTIAL SCANNING CALORIMETRY (DSC) Τεχνική ανίχνευσης φυσικό/χημικών διεργασιών πολυμερικών και άλλων υλικών (δοκίμια ) που συνοδεύονται από ανταλλαγή θερμότητας με το περιβάλλον Ενδόθερμη διεργασία το δοκίμιο λαμβάνει θερμότητα από το περιβάλλον Εξώθερμη διεργασία το δοκίμιο αποδίδει θερμότητα στο περιβάλλον Εικόνα του οργάνου με το σύστημα ψύξης και το Η/Υ ελέγχου

Transcript of ΔΙΑΦΟΡΙΚΗ ΘΕΡΜΙΔΟΜΕΤΡΙΑ ΣΑΡΩΣΗΣ …...E.Spanakis - 2012 Σκοπός:...

Page 1: ΔΙΑΦΟΡΙΚΗ ΘΕΡΜΙΔΟΜΕΤΡΙΑ ΣΑΡΩΣΗΣ …...E.Spanakis - 2012 Σκοπός: Η καταγραφή της θερμότητας που ανταλλάσει το

E.Spanakis - 2012

ΔΙΑΦΟΡΙΚΗ ΘΕΡΜΙΔΟΜΕΤΡΙΑ ΣΑΡΩΣΗΣ

DIFFERENTIAL SCANNING CALORIMETRY (DSC)

• Τεχνική ανίχνευσης φυσικό/χημικών διεργασιών πολυμερικών και

άλλων υλικών (δοκίμια) που συνοδεύονται από ανταλλαγή θερμότητας

με το περιβάλλον

• Ενδόθερμη διεργασία το δοκίμιο λαμβάνει θερμότητα από το περιβάλλον

• Εξώθερμη διεργασία το δοκίμιο αποδίδει θερμότητα στο περιβάλλον

Εικόνα του οργάνου με το σύστημα ψύξης και το Η/Υ ελέγχου

Page 2: ΔΙΑΦΟΡΙΚΗ ΘΕΡΜΙΔΟΜΕΤΡΙΑ ΣΑΡΩΣΗΣ …...E.Spanakis - 2012 Σκοπός: Η καταγραφή της θερμότητας που ανταλλάσει το

E.Spanakis - 2012

Σκοπός: Η καταγραφή της θερμότητας που ανταλλάσει το δοκίμιο με ένα καλά ορισμένο

περιβάλλον (αναφορά) κατά την θέρμανση ή ψύξη και των δύο με ‘σχεδόν’ σταθερό ρυθμό

dT/dt = const.

Φούρνος δοκιμίου

με θερμόμετρο

Φούρνος αναφοράς

με θερμόμετρο

Αεροστεγής κάψουλα

με εγκλεισμένο δοκίμιο

Κενή αεροστεγής

κάψουλα αναφοράς

Χώρος εργασίας του DSC

ΧΩΡΟΤΑΞΙΑ ΟΡΓΑΝΟΥ

Page 3: ΔΙΑΦΟΡΙΚΗ ΘΕΡΜΙΔΟΜΕΤΡΙΑ ΣΑΡΩΣΗΣ …...E.Spanakis - 2012 Σκοπός: Η καταγραφή της θερμότητας που ανταλλάσει το

E.Spanakis - 2012

ΑΠΟΤΕΛΕΣΜΑ ΕΝΟΣ ΠΕΙΡΑΜΑΤΟΣ DSC

130 140 150 160 170 180-80

-60

-40

-20

0

20

40

60

80

Hea

t Flo

w (

End

o U

p) (

mW

)

Temperature (oC)

In dT / dt = 10oC/min

ΤΗΞΗ:

ΕΝΔΟΘΕΡΜΗ

ΔΙΕΡΓΑΣΙΑ

ΚΡΥΣΤΑΛΛΩΣΗ:

ΕΞΩΘΕΡΜΗ ΔΙΕΡΓΑΣΙΑ

ΣΕ ΔΟΚΙΜΙΟ ΙΝΔΙΟ ΜΑΖΑΣ 15 mg

Page 4: ΔΙΑΦΟΡΙΚΗ ΘΕΡΜΙΔΟΜΕΤΡΙΑ ΣΑΡΩΣΗΣ …...E.Spanakis - 2012 Σκοπός: Η καταγραφή της θερμότητας που ανταλλάσει το

E.Spanakis - 2012

ΑΡΧΗ ΛΕΙΤΟΥΡΓΙΑΣ

Οι φούρνοι εισάγουν (ή απάγουν) θερμότητα στον χώρο του δοκιμίου (Qδ(t)) και της αναφοράς (Qo(t)) με

ρυθμό που προσπαθεί να εξασφαλίζει ότι:

α) dTo/dt = q = προγραμματισμένο από τον χρήστη ρυθμό θέρμανσης και

β) Τδ(t) = To(t) για κάθε t

Qδ Qο

Το δοκίμιο θερμοχωρητικότητας Cp είναι σε θερμική επαφή με τον χώρο αναφοράς μέσω θερμοαγώγιμου

συνδέσμου γνωστής θερμικής αγωγιμότητας K που είναι ανεξάρτητη από την θερμοκρασία.

Θερμότητα που ανταλλάσσεται μεταξύ δοκιμίου και αναφοράς, Qα:

Ισχύει για κάθε t:

Όταν δεν υπάρχει εσωτερική διεργασία στο δοκίμιο τότε:

Cp = const Τδ(t) = To(t) εξασφαλίζεται dQα / dt = 0

)( TTK

dt

dQo

Page 5: ΔΙΑΦΟΡΙΚΗ ΘΕΡΜΙΔΟΜΕΤΡΙΑ ΣΑΡΩΣΗΣ …...E.Spanakis - 2012 Σκοπός: Η καταγραφή της θερμότητας που ανταλλάσει το

E.Spanakis - 2012

Όταν υπάρχει θερμική διεργασία (π.χ. τήξη) στο δοκίμιο τότε μέρος της Qδ αναλώνεται στην

διεργασία με αποτέλεσμα η θερμοκρασία του δοκιμίου να τείνει να αποκλίνει από εκείνη της αναφοράς

ΘΕΡΜΙΚΗ ΔΙΕΡΓΑΣΙΑ =

ΑΛΛΑΓΗ ΤΟΥ ΜΕΧΡΙ ΠΡΟΤΕΙΝΟΣ ΣΤΑΘΕΡΟΥ Cp

Qα(t) ≠ 0 και ΔΤ(t) = Το – Τδ ≠ 0

Η ανταλλαγή θερμότητας με την αναφορά δίδεται εξ’ ορισμού Qα = Cp ΔΤ

Το όργανο καταγράφοντας την ΔΤ αντιδρά στην τάση για απόκλιση των δύο θερμοκρασιών

ώστε σε ελάχιστο χρόνο (Δt 0 ή αλλιώς dt) να εξισώνει τις Το και Τδ.

Η διαδικασία αυτή ονομάζεται ανάδραση.

qCTK p

και ο ρυθμός ανταλλαγής θερμότητας dQα/dt γίνεται ανάλογος του μεταβαλλόμενου Cp:

Έτσι ο ρυθμός αλλαγής της θερμοκρασίας του δοκιμίου δεν αλλάζει (dTδ/dt ≈ dTo/dt = q)

qCdt

dTC

dt

dQpp

Page 6: ΔΙΑΦΟΡΙΚΗ ΘΕΡΜΙΔΟΜΕΤΡΙΑ ΣΑΡΩΣΗΣ …...E.Spanakis - 2012 Σκοπός: Η καταγραφή της θερμότητας που ανταλλάσει το

E.Spanakis - 2012

qCTK p Κ, q γνωστά & ΔΤ μετρήσιμη ποσότητα Cp(t) , dQα/dt

ΑΡΑ ΤΟ DSC ΕIΝΑΙ ΕΝΑ ΠΟΛΥ ΕΥΑΙΣΘΗΤΟ ΘΕΡΜΙΔΟΜΕΤΡΟ ΣΤΟ ΟΠΟΙΟ

Ο ΡΥΘΜΟΣ ΑΝΤΑΛΛΑΓΗΣ ΘΕΡΜΟΤΗΤΑΣ ΤΟΥ ΔΟΚΙΜΙΟΥ ΜΕ ΤΗΝ ΑΝΑΦΟΡΑ dQα/dt ΑΝΤΙΚΑΤΟΠΤΡΙΖΕΙ

ΤΗΣ ΑΛΛΑΓΕΣ ΣΤΗΝ ΘΕΡΜΟΧΩΡΗΤΙΚΟΤΗΤΑ ΤΟΥ ΔΟΚΙΜΙΟΥ

ΔΟΚΙΜΙΑ ΣΤΟ ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΟ ΧΑΛΑΡΗΣ ΥΛΗΣ

ΣΤΕΡΕΑ ΠΟΛΥΜΕΡΗ

ΑΜΟΡΦΑ ΗΜΙΚΡΥΣΤΑΛΛΙΚΑ ΠΟΛΥΚΡΥΣΤΑΛΛΙΚΑ

ΚΡΥΣΤΑΛΛΙΚΗ ΠΕΡΙΟΧΗ = ΠΕΡΙΟΧΗ ΥΨΗΛΟΥ ΒΑΘΜΟΥ ΤΑΞΗΣ ΚΑΙ ΠΕΡΙΟΔΙΚΟΤΗΤΑΣ

Page 7: ΔΙΑΦΟΡΙΚΗ ΘΕΡΜΙΔΟΜΕΤΡΙΑ ΣΑΡΩΣΗΣ …...E.Spanakis - 2012 Σκοπός: Η καταγραφή της θερμότητας που ανταλλάσει το

E.Spanakis - 2012

ΣΥΝΗΘΕΙΣ ΘΕΡΜΙΚΕΣ ΔΙΕΡΓΑΣΙΕΣ ΣΤΑ ΠΟΛΥΜΕΡΗ

Α. ΤΗΞΗ

Μετασχηματισμός μιας κρυσταλλικής περιοχής προς παχύρρευστο υγρό.

Ως υγρό νοείται μια δομή με τυχαία διατεταγμένες αλυσίδες που εντός του όγκου της περιοχής

έχουν όχι μονό δονητικούς αλλά και μεταφορικούς βαθμούς ελευθερίας

Ενδόθερμη διεργασία

Temperature

He

at flo

w (

en

do

up

)

Πολυκρυσταλλικό πολυμερές

Τm στο σημείο τομής της γραμμικής

περιοχής με την γραμμή υποβάθρου

Temperature

He

at flo

w (

en

do

up

)

Ημικρυσταλλικό πολυμερές

Τm στο μέγιστο της κορυφής τήξης

Page 8: ΔΙΑΦΟΡΙΚΗ ΘΕΡΜΙΔΟΜΕΤΡΙΑ ΣΑΡΩΣΗΣ …...E.Spanakis - 2012 Σκοπός: Η καταγραφή της θερμότητας που ανταλλάσει το

E.Spanakis - 2012

Η θερμοκρασία τήξης καθαρού από προσμίξεις πολυμερούς επηρεάζεται από

• το μέγεθος/όγκο V των κρυσταλλικών περιοχών: V Tm

• το μοριακό βάρος ΜΒ των αλυσίδων κάθε κρυσταλλικής περιοχής: ΜΒ Tm

• την ύπαρξη αριθμού Ν διακλαδώσεων (ή άλλων ατελειών) στις αλυσίδες: Ν Tm

LDPE Πολυαιθυλένιο

Χαμηλής

πυκνότητας

HDPE Πολυαιθυλένιο

Υψηλής

πυκνότητας

PTFE Πολύ-

τετραφθορο-

αιθυλένιο

PP Πολύ-

προπυλένιο

Nylon 6.6 Πολύαμίδιο

PET Πολύαιθυλενο

-τερεφθαλικό

εστέρας

PVC Πολύ-

βινυλοχλωρίδιο

PS Πολυστυρένιο

PC Πολύ-

καρβονικός

εστέρας

115 οC 137 οC 327 οC 175 οC 165 οC 265 οC 212 οC 240 οC 265 οC

Θερμοκρασίες τήξης ορισμένων από τα συνηθέστερα εμπορικά πολυμερή

Page 9: ΔΙΑΦΟΡΙΚΗ ΘΕΡΜΙΔΟΜΕΤΡΙΑ ΣΑΡΩΣΗΣ …...E.Spanakis - 2012 Σκοπός: Η καταγραφή της θερμότητας που ανταλλάσει το

E.Spanakis - 2012

ΕΝΘΑΛΠΙΑ ΤΗΞΗΣ, ΔΗ

Είναι η ενέργεια που απαιτείται για τον πλήρη μετασχηματισμό μιας κρυσταλλικής περιοχής από στερεό σε υγρό

Temperature

He

at flo

w (

en

do

up

)

Τi Τf

E

f

i

f

i

f

i

T

T

T

T

T

T

pq

EdT

dt

dQ

qdT

q

dtdQdTC 1

• Για 100% κρυσταλλικό πολυμερές (ιδανική περίπτωση) ΔΗc = m Δhc

m = μάζα του πολυμερούς δοκιμίου και Δhc = η γνωστή λανθάνουσα θερμότητα τήξεως του

• Για ημικρυσταλλικό πολυμερές δοκίμιο ο βαθμός κρυσταλλικότητας Χ ορίζεται ως

Χ = ΔΗ / ΔΗc και δηλώνει το ποσοστό της μάζας του πολυμερούς που είναι κρυσταλλικό.

Page 10: ΔΙΑΦΟΡΙΚΗ ΘΕΡΜΙΔΟΜΕΤΡΙΑ ΣΑΡΩΣΗΣ …...E.Spanakis - 2012 Σκοπός: Η καταγραφή της θερμότητας που ανταλλάσει το

E.Spanakis - 2012

Λανθάνουσα θερμότητα τήξεως Δh συνήθων πολυμερών

Page 11: ΔΙΑΦΟΡΙΚΗ ΘΕΡΜΙΔΟΜΕΤΡΙΑ ΣΑΡΩΣΗΣ …...E.Spanakis - 2012 Σκοπός: Η καταγραφή της θερμότητας που ανταλλάσει το

E.Spanakis - 2012

B. ΚΡΥΣΤΑΛΛΩΣΗ Εξώθερμη διεργασία

Μετασχηματισμός παχύρρευστου τήγματος ή περιοχής του δοκιμίου όπου οι αλυσίδες έχουν αποκτήσει

σχετική μεταφορική ελευθερία ΠΡΟΣ στερεά κρυσταλλική φάση

Σε αντίθεση με την τήξη η κρυστάλλωση είναι και κινητική διεργασία:

πέραν της κατάλληλης θερμοκρασίας απαιτείται πεπερασμένος χρόνος για να ολοκληρωθεί

Temperature

He

at flo

w (

en

do

up

)

Temperature

He

at flo

w (

en

do

up

)

Temperature

He

at flo

w (

en

do

up

)

Τελικό στερεό:

100% πολυκρυσταλλικό

Τελικό στερεό:

ημικρυσταλλικό Τελικό στερεό:

άμορφο

Ταχύτητα ψύξης: dT/dt πολυκρυσταλλικό ημικρυσταλλικό άμορφο

Τc = θερμοκρασία κρυστάλλωσης

Page 12: ΔΙΑΦΟΡΙΚΗ ΘΕΡΜΙΔΟΜΕΤΡΙΑ ΣΑΡΩΣΗΣ …...E.Spanakis - 2012 Σκοπός: Η καταγραφή της θερμότητας που ανταλλάσει το

E.Spanakis - 2012

Temperature

Hea

t flo

w (

endo

up)

dT__

dt

Επίδραση του ρυθμού c

ψύξης στην κρυστάλλωση:

α) μικραίνει η Τc

β) μεγαλώνει η μετρήσιμη ΔΗc

Temperature

Heat

flo

w (

en

do

up

)

Συμπεριφορά υλικού που «πάγωσε»

απότομα (άμορφο) κατά την επόμενη

θέρμανση.

ΟΙ ΚΑΜΠΥΛΕΣ DSC ΕΞΑΡΤΩΝΤΑΙ ΑΠΌ ΤΗΝ ΘΕΡΜΙΚΗ ΙΣΤΟΡΙΑ ΤΟΥ ΔΟΚΙΜΙΟΥ !

Page 13: ΔΙΑΦΟΡΙΚΗ ΘΕΡΜΙΔΟΜΕΤΡΙΑ ΣΑΡΩΣΗΣ …...E.Spanakis - 2012 Σκοπός: Η καταγραφή της θερμότητας που ανταλλάσει το

E.Spanakis - 2012

Γ. ΥΑΛΩΔΗΣ ΜΕΤΑΒΑΣΗ

• Εμφανίζεται στα δοκίμια που περιέχουν ικανό ποσοστό άμορφης δομής

(άμορφα και ημικρυσταλλικά πολυμερή)

• Παρουσιάζει μεγάλο θερμοκρασιακό εύρος. Ορίζεται όμως μια Τg.

• Κάτω από την Τg οι αλυσίδες είναι πεπλεγμένες μεταξύ τους ώστε να μην μπορεί

να εκδηλωθεί αλλαγή της θέσης των τμημάτων τους υλικό άκαμπτο και εύθραυστο

σαν ύαλος

• Πάνω από την Τg τμήματα των μεγαλύτερων αλυσίδων αποκτούν περιστροφική και

περιορισμένη μεταφορική ελευθερία και το υλικό γίνεται ιξωδοελαστικό

LDPE Πολυαιθυλένιο

Χαμηλής

πυκνότητας

HDPE Πολυαιθυλένιο

Υψηλής

πυκνότητας

PTFE Πολύ-

τετραφθορο-

αιθυλένιο

PP Πολύ-

προπυλένιο

Nylon 6.6 Πολύαμίδιο

PET Πολυαιθυλενο

-τερεφθαλικό

εστέρας

PVC Πολύ-

βινυλοχλωρίδιο

PS Πολυστυρένιο

PC Πολύ-

καρβονικός

εστέρας

-110 οC -90 οC -97 οC -18 οC 57 οC 69 οC 87 οC 100 οC 150 οC

Θερμοκρασίες υαλώδους μετάβασης ορισμένων από τα συνηθέστερα εμπορικά πολυμερή

Page 14: ΔΙΑΦΟΡΙΚΗ ΘΕΡΜΙΔΟΜΕΤΡΙΑ ΣΑΡΩΣΗΣ …...E.Spanakis - 2012 Σκοπός: Η καταγραφή της θερμότητας που ανταλλάσει το

E.Spanakis - 2012

ΙΞΩΔΟΕΛΑΣΤΙΚΟΤΗΤΑ (viscoelasticity)

Ελαστικό υλικό (π.χ. λάστιχο)

Απουσία μόνιμης

παραμόρφωσης

Ιξώδες υλικό (π.χ. μέλι, οδοντόπαστα)

Μόνιμη

παραμόρφωση

t

t

t

Ιξωδοελαστικό υλικό (π.χ. πολυμερές Τ > Τg, τσίχλα)

Μόνιμη

παραμόρφωση

Πα

ρα

μό

ρφ

ωσ

η

Έναρξη άσκησης

σταθερής τάσης

Λήξη άσκησης

σταθερής τάσης

Πα

ρα

μό

ρφ

ωσ

η

Πα

ρα

μό

ρφ

ωσ

η

Page 15: ΔΙΑΦΟΡΙΚΗ ΘΕΡΜΙΔΟΜΕΤΡΙΑ ΣΑΡΩΣΗΣ …...E.Spanakis - 2012 Σκοπός: Η καταγραφή της θερμότητας που ανταλλάσει το

E.Spanakis - 2012

Temperature

Heat

flo

w (

en

do

up

)

Temperature

Heat

flo

w (

en

do

up

)

Υαλώδης μετάβαση Υαλώδης μετάβαση με

κορυφή εφησυχασμού μεταστάθειας

Κατά την μετάβαση παρουσιάζεται σκαλοπάτι στο DSC που αντικατοπτρίζει την αλλαγή του Cp μεταξύ του

ιξωδοελαστικής και της υαλώδους κατατάστασης. Το Cp της πρώτης είναι μεγαλύτερο λόγω της πρόσθεσης των

περιστροφικών και κάποιων μεταφορικών βαθμών ελευθερίας των αλυσίδων.

He

at

flo

w (

en

do

up

)

Τg

1/2

1/2

Διαδικασία εύρεσης της Τg

από το φάσμα DSC

Page 16: ΔΙΑΦΟΡΙΚΗ ΘΕΡΜΙΔΟΜΕΤΡΙΑ ΣΑΡΩΣΗΣ …...E.Spanakis - 2012 Σκοπός: Η καταγραφή της θερμότητας που ανταλλάσει το

E.Spanakis - 2012

ΘΕΡΜΟΣΤΑΘΜΙΚΗ ΑΝΑΛΥΣΗ

THERMO GRAVIVETRIC ANALYSIS (TGA)

• Τεχνική ανίχνευσης φυσικό/χημικών διεργασιών πολυμερικών και

άλλων υλικών (δοκίμια) που συνοδεύονται από αλλαγή της μάζας τους

Page 17: ΔΙΑΦΟΡΙΚΗ ΘΕΡΜΙΔΟΜΕΤΡΙΑ ΣΑΡΩΣΗΣ …...E.Spanakis - 2012 Σκοπός: Η καταγραφή της θερμότητας που ανταλλάσει το

E.Spanakis - 2012

Σκοπός: Η καταγραφή της αλλαγής μάζας του δοκιμίου είτε α) κατά την θέρμανση του με σταθερό

ρυθμό dT/dt = const είτε β) κατά την παραμονή του σε σταθερή Τ για ορισμένο χρόνο.

ΧΩΡΟΤΑΞΙΑ ΟΡΓΑΝΟΥ

Ζυγός ακριβείας

αναφοράς με

θερμόμετρο

Ζυγός ακριβείας

δοκιμίου με

θερμόμετρο

Θάλαμος θέρμανσης

Βραχίονες ζυγών

Σύστημα εξισσορόπησης

με καταγραφικό θέσης

Page 18: ΔΙΑΦΟΡΙΚΗ ΘΕΡΜΙΔΟΜΕΤΡΙΑ ΣΑΡΩΣΗΣ …...E.Spanakis - 2012 Σκοπός: Η καταγραφή της θερμότητας που ανταλλάσει το

E.Spanakis - 2012

ΑΠΟΤΕΛΕΣΜΑ ΕΝΟΣ ΠΕΙΡΑΜΑΤΟΣ TGA

ΑΠΟΣΥΝΘΕΣΗ ΔΟΚΙΜΙΟΥ ΠΟΛΥΣΤΥΡΕΝΙΟΥ PS ΜΑΖΑΣ 5 mg

0 100 200 300 400 500

0

20

40

60

80

100

Wei

ght

(%)

Temperature (oC)

Θέρμανση

Page 19: ΔΙΑΦΟΡΙΚΗ ΘΕΡΜΙΔΟΜΕΤΡΙΑ ΣΑΡΩΣΗΣ …...E.Spanakis - 2012 Σκοπός: Η καταγραφή της θερμότητας που ανταλλάσει το

E.Spanakis - 2012

ΑΡΧΗ ΛΕΙΤΟΥΡΓΙΑΣ

Αισθητήρες

θέσης

Εισαγωγή

Αδρανούς αερίου

Εξισορρόπηση

βραχιόνων

Βραχίονες ζύγισης

Φούρνος

Έξοδος

Αδρανούς αερίου

Υποδοχείς δείγματος - αναφοράς

Page 20: ΔΙΑΦΟΡΙΚΗ ΘΕΡΜΙΔΟΜΕΤΡΙΑ ΣΑΡΩΣΗΣ …...E.Spanakis - 2012 Σκοπός: Η καταγραφή της θερμότητας που ανταλλάσει το

E.Spanakis - 2012

ΕΦΑΡΜΟΓΕΣ ΤΗΣ ΜΕΘΟΔΟΥ ΣΤΑ ΠΟΛΥΜΕΡΗ

• Θερμική σταθερότητα και αποσύνθεση – Θερμοκρασία έναρξης της αποσύνθεσης

και κινητική αυτής

• Προσδιορισμός της καθαρότητας πολυμερούς από ανόργανες προσμίξεις

• Προσδιορισμός του ποσοστού υγρασίας και διαλυτών (πτητικών ουσιών) εντός

του πολυμερούς

• Εκτίμηση του ποσοστού κάθε πολυμερούς επί της μάζας πολυμερικών μειγμάτων

δύο ή περισσοτέρων μερών

• Θερμοκρασία και κινητική οξείδωσης πολυμερών

• Μελέτη της εξάχνωσης πολυμερών και της εξάτμισης πολυμερικών τηγμάτων

• Προσρόφηση και εκρόφηση υγρασίας ή άλλων πτητικών ουσιών και αερίων

• Ταυτοποίηση πολυμερούς

Page 21: ΔΙΑΦΟΡΙΚΗ ΘΕΡΜΙΔΟΜΕΤΡΙΑ ΣΑΡΩΣΗΣ …...E.Spanakis - 2012 Σκοπός: Η καταγραφή της θερμότητας που ανταλλάσει το

E.Spanakis - 2012

ΜΕΛΕΤΗ ΑΠΟΣΥΝΘΕΣΗ ΜΕΙΓΜΑΤΟΣ ΠΟΛΥΜΕΡΟΥΣ – ΠΗΛΟΥ (ΑΝΟΡΓΑΝΟ ΥΛΙΚΟ)

Τi Πλήρης αποσύνθεση πολυμερούς.

Ποσοστό του επί του μείγματος:

(7.31mg - 4.95mg) / 7.31mg = 32 %

Τi = Θερμοκρασία έναρξης της αποσύνθεσης

Τd = Θερμοκρασία μεγίστου ρυθμού

αποσύνθεσης Τd

Page 22: ΔΙΑΦΟΡΙΚΗ ΘΕΡΜΙΔΟΜΕΤΡΙΑ ΣΑΡΩΣΗΣ …...E.Spanakis - 2012 Σκοπός: Η καταγραφή της θερμότητας που ανταλλάσει το

E.Spanakis - 2012

ΜΗΧΑΝΙΚΕΣ ΙΔΙΟΤΗΤΕΣ ΣΤΕΡΕΩΝ ΥΛΙΚΩΝ - ΣΚΛΗΡΟΜΕΤΡΙΑ

Προσδιορισμός της απόκρισης/παραμόρφωσης ενός στερεού σώματος κατά την άσκηση

δύναμης σε αυτό υπό καλά ορισμένες συνθήκες (διεύθυνση δύναμης, επιφάνεια και

διάρκεια άσκησης της δύναμης, θερμοκρασία υλικού)

ΤΡΟΠΟΙ ΑΣΚΗΣΗΣ ΔΥΝΑΜΗΣ ΣΕ ΣΤΕΡΕΟ ΓΙΑ ΣΥΝΗΘΕΙΣ ΔΟΚΙΜΕΣ ΑΝΤΟΧΗΣ ΥΛΙΚΩΝ

ΕΦΕΛΚΥΣΜΟΣ

(TENSION)

ΣΥΜΠΙΕΣΗ

(COMPRESSION)

ΔΙΑΤΜΗΣΗ

(SHEAR)

ΣΤΡΕΨΗ

(TORSION)

Page 23: ΔΙΑΦΟΡΙΚΗ ΘΕΡΜΙΔΟΜΕΤΡΙΑ ΣΑΡΩΣΗΣ …...E.Spanakis - 2012 Σκοπός: Η καταγραφή της θερμότητας που ανταλλάσει το

E.Spanakis - 2012

Α. ΔΟΚΙΜΗ ΕΦΕΛΚΥΣΜΟΥ

ΕΦΕΛΚΥΣΙΜΕΤΡΟ

Το δοκίμιο υποβάλλεται σε εφελκυστική τάση σ και μετράται η παραμόρφωση του ε

ΔΟΚΙΜΙΟ

ΕΦΕΛΚΥΣΜΟΥ F

F

L

Διατομή δοκιμίου Α = πdo2/4

Τάση (stress): σ = F / A

Παραμόρφωση (strain):

ε = (L-Lo) / Lo

Μέτρο ελαστικότητας του

Young (ελαστική περιοχή):

Ε = σ / ε ή σ = Ε ε

Ανάλογο με νόμο

Hooke (ελατήριο) F = kx

Page 24: ΔΙΑΦΟΡΙΚΗ ΘΕΡΜΙΔΟΜΕΤΡΙΑ ΣΑΡΩΣΗΣ …...E.Spanakis - 2012 Σκοπός: Η καταγραφή της θερμότητας που ανταλλάσει το

E.Spanakis - 2012

Θραύση Τάση θραύσης

Απώτατη τάση

Τάση διαρροής

Ελαστικό όριο

ΤΥΠΙΚΗ ΚΑΜΠΥΛΗ ΤΑΣΗΣ - ΠΑΡΑΜΟΡΦΩΣΗΣ

E

Παραμόρφωση, ε

Τά

ση

, σ

Παραμένουσα παραμόρφωση

Παραμένουσα παραμόρφωση

Ολική παραμόρφωση

Page 25: ΔΙΑΦΟΡΙΚΗ ΘΕΡΜΙΔΟΜΕΤΡΙΑ ΣΑΡΩΣΗΣ …...E.Spanakis - 2012 Σκοπός: Η καταγραφή της θερμότητας που ανταλλάσει το

E.Spanakis - 2012

ΚΑΤΗΓΟΡΙΟΠΟΙΗΣΗ ΥΛΙΚΩΝ ΣΧΕΤΙΚΑ ΜΕ ΤΟ ΜΕΤΡΟ ΕΛΑΣΤΙΚΟΤΗΤΑΣ

Βαρύ Ελαφρύ

Εύ

κα

μπ

το

Δύ

σκα

μπ

το

Πυκνότητα

Ε (

GP

a)

« Το πόσο ΕΥΚΑΜΠΤΟ ή ΔΥΣΚΑΜΠΤΟ θεωρείται ένα υλικό, ποσοτικοποιείται με την τιμή του

μέτρου ελαστικότητας του (ΕΛΑΣΤΙΚΗ ΠΕΡΙΟΧΗ): όσο μεγαλύτερο το Ε τόσο πιο δύσκαμπτο.»

Page 26: ΔΙΑΦΟΡΙΚΗ ΘΕΡΜΙΔΟΜΕΤΡΙΑ ΣΑΡΩΣΗΣ …...E.Spanakis - 2012 Σκοπός: Η καταγραφή της θερμότητας που ανταλλάσει το

E.Spanakis - 2012

Tάση διαρροής: Η τάση πέραν της οποίας το υλικό αρχίζει να παρουσιάζει αυθόρμητη

και συνεχή παραμόρφωση (ρέει…)

• Δημιουργείται λαίμωση μέσα στην οποία παρουσιάζεται σχεδόν πλήρης ευθυγράμμιση των πολυμερικών

αλυσίδων με την διεύθυνση της ασκούμενης τάση με αποτέλεσμα α) την μείωση της διατομής και β) την

ενδυνάμωση της περιοχής του λαιμού.

• Το περιοχή του λαιμού δεν επιμηκύνεται. Αντίθετα η λαίμωση επεκτείνεται στις γειτνιάζουσες του αρχικού

λαιμού περιοχές

Page 27: ΔΙΑΦΟΡΙΚΗ ΘΕΡΜΙΔΟΜΕΤΡΙΑ ΣΑΡΩΣΗΣ …...E.Spanakis - 2012 Σκοπός: Η καταγραφή της θερμότητας που ανταλλάσει το

E.Spanakis - 2012

Α. ΨΑΘΥΡΟ ή ΕΥΘΡΑΥΣΤΟ ΥΛΙΚΟ (BRITTLE MATERIAL) : ύαλος, πολυστυρένιο κ.α.

Β. ΠΛΑΣΤΙΚΟ ή ΕΥΠΛΑΣΤΟ ΥΛΙΚΟ (DUCTILE MATERIAL): πλαστελίνη, πολυαιθυλένιο, τεφλόν, νάϊλον κ.α.

C. ΕΛΑΣΤΙΚΟ (ELASTOMER): λάστιχο, καουτσούκ, σιλικόνη κ.α.

ΑΝΘΕΚΤΙΚΟΤΗΤΑ (TOUGHNESS): Η ικανότητα ενός υλικού να απορροφά όσο γίνεται μεγαλύτερη ενέργεια

πριν την θραύση. Ισούται με το εμβαδόν κάτω από όλη την καμπύλη τάσης-παραμόρφωσης μέχρι την θραύση

Page 28: ΔΙΑΦΟΡΙΚΗ ΘΕΡΜΙΔΟΜΕΤΡΙΑ ΣΑΡΩΣΗΣ …...E.Spanakis - 2012 Σκοπός: Η καταγραφή της θερμότητας που ανταλλάσει το

E.Spanakis - 2012

ΚΑΤΗΓΟΡΙΟΠΟΙΗΣΗ ΥΛΙΚΩΝ ΣΧΕΤΙΚΑ ΜΕ ΤΗΝ ΑΝΘΕΚΤΙΚΟΤΗΤΑ ΤΟΥΣ

ΤΑ

ΣΗ

ΘΡ

ΑΥ

ΣΗ

Σ

(GP

a)

ΑΝΘΕΚΤΙΚΟΤΗΤΑ

Page 29: ΔΙΑΦΟΡΙΚΗ ΘΕΡΜΙΔΟΜΕΤΡΙΑ ΣΑΡΩΣΗΣ …...E.Spanakis - 2012 Σκοπός: Η καταγραφή της θερμότητας που ανταλλάσει το

E.Spanakis - 2012

ΣΚΛΗΡΟΤΗΤΑ

• H σκληρότητα ενός υλικού είναι μέγεθος που μετρά την αντίσταση που προβάλει στην

απόξυση, τη φθορά ή τη διείσδυση. Όλα αυτά αποτελούν μορφές μόνιμης παραμόρφωσης.

• Αποτελεί μη θεμελιώδη ιδιότητα του υλικού, και επομένως η τιμή της διαφέρει ανάλογα με

την τεχνική που χρησιμοποιείται για τον προσδιορισμό της

• Ο προσδιρισμός της στηρίζεται στην μέτρηση του ίχνους που αφήνει αντικείμενο

συγκεκριμένου σχήματος καθώς διεισδύει στο υλικό υπό σταθερή δύναμη και για

συγκεκριμένο χρόνο

ΜΕΘΟΔΟΣ BRINEL

Page 30: ΔΙΑΦΟΡΙΚΗ ΘΕΡΜΙΔΟΜΕΤΡΙΑ ΣΑΡΩΣΗΣ …...E.Spanakis - 2012 Σκοπός: Η καταγραφή της θερμότητας που ανταλλάσει το

E.Spanakis - 2012

ΆΛΛΕΣ ΜΕΘΟΔΟΙ ΥΠΟΛΟΓΙΣΜΟΥ ΤΗΣ ΣΚΛΗΡΟΤΗΤΑΣ

Page 31: ΔΙΑΦΟΡΙΚΗ ΘΕΡΜΙΔΟΜΕΤΡΙΑ ΣΑΡΩΣΗΣ …...E.Spanakis - 2012 Σκοπός: Η καταγραφή της θερμότητας που ανταλλάσει το

E.Spanakis - 2012

ΣΚΛΗΡΟΤΗΤΑ ΣΥΝΗΘΩΝ ΠΟΛΥΜΕΡΩΝ ΚΑΙ ΕΛΑΣΤΟΜΕΡΩΝ

Page 32: ΔΙΑΦΟΡΙΚΗ ΘΕΡΜΙΔΟΜΕΤΡΙΑ ΣΑΡΩΣΗΣ …...E.Spanakis - 2012 Σκοπός: Η καταγραφή της θερμότητας που ανταλλάσει το

E.Spanakis - 2012

Από το:

Handbook of Plastics Testing

and Failure Analysis,

Third Edition, Wiley, New York

Προσεγγιστικός πίνακας μετατροπής συνήθων

κλιμάκων σκληρότητας για πλαστικά

Page 33: ΔΙΑΦΟΡΙΚΗ ΘΕΡΜΙΔΟΜΕΤΡΙΑ ΣΑΡΩΣΗΣ …...E.Spanakis - 2012 Σκοπός: Η καταγραφή της θερμότητας που ανταλλάσει το

E.Spanakis - 2012

Καλή επιτυχία στο εργαστήριο!