آنالیز گرمایی برای شناسایی پوشش ها

مقدمه

ارزیابی زیرلایه و مواد پوشش داده شده با استفاده از آنالیز گرمایی، به عنوان یک ابزار توانمند در دست متخصص رنگ می باشد که در واقع با کمک آن، فرد می تواند خواص پوشش را مورد بررسی قرار دهد. این خواص، در واقع آن دسته از خواص می باشند که تابعی از دما هستند.

ویژگی ها

مواد در هنگام حرارت دهی، متحمل تغییر شکل می شوند. آنالیز حرارتی (TA) این تغییرات را مورد ارزیابی قرار می دهد. TA عموماً برای شناسایی موادی مورد استفاده قرار می گیرد که با حرارت دهی، در آنها تغییر شیمیایی یا حرارتی رخ می دهد. این تغییر در خواص به عنوان تابعی از دما کمک می کند تا بتوانیم رابطه ای بین ترکیب شیمیایی و تغییر این خاصیت، پیدا کنیم. روش های TA در واقع تغییرهای ایجاد شده در خواص مواد در زمان حرارت دهی و خنک سازی را اندازه گیری می کند. یک ارزیابی TA در واقع عبارتست از حرارت دهی یک نمونه ی کوچک به اندازه ی چند میلی گرم تا 100 میلی گرم می باشد. در این بخش، وسایل اندازه گیری نیز وجود دارد.
ابزارهای مورد استفاده برای این تجزیه و تحلیل، شامل مدول آنالیز، یک منبع حرارت دهی یا سرمایشی، یک وسیله ی اندازه گیری و یک سیستم ارائه ی نتایج به صورت نموداری، می باشد. یک کامپیوتر نیز عموماً برای برنامه ریزی و کنترل رویه و ذخیره سازی نتایج، مورد استفاده قرار می گیرد.

روش ها

از بین روش های TA، کالریمتری افتراقی (DSC)، تجزیه ی گرمایی افتراقی (DTA)، آنالیز ترموگراویمتری (TGA)، آنالیز ترمومکانیکی (TMA) و آنالیز مکانیکی- دینامیکی (DMA) از جمله مهم ترین روش ها تلقی می شوند. هر یک از این روش ها، در ادامه به صورت مختصر مورد بررسی قرار می گیرند.
DSC در واقع جریان حرارت و دمای مربوط به استحاله های فازی و شیمیایی را اندازه گیری می کند. تفاوت در جریان حرارت دهی میان یک نمونه و یک ماده ی مرجع تحت شرایط کنترل شده ی دقیق، اندازه گیری می شود. این دستگاه جریان حرارت وارد شده یا خارج شده از نمونه را به صورت واکنش های گرماده و گرمازا، بیان می کند. عموماً گستره ی دمایی مورد استفاده در این دستگاه ، -180 ℃ تا +725℃ است.
DTA بوسیله ی DSC جایگزین شده است. به هر حال، داده های مربوط به DTA همچنین تغییر ایجاد شده در جریان حرارت دهی و جذب انرژی را آدرس دهی می کند. این روش در واقع دقت کمتری نسبت به DSC دارد. از این رو، این وسیله ی بوسیله ی DSC جایگزین شده است. در DSC، داده های بهتری بدست می آید. این وسیله، سیر تغییر دمایی نمونه را در گستره ی دمایی -180 ℃ تا +1600℃ ارزیابی می کند.
TGA تغییر در جرم را به عنوان تابعی از دما، زمان و اتمسفر را اندازه گیری می کند. بنابراین، این روش محدود به کاربردهایی است که در آن، تغییر در جرم ایجاد می شود. از آنجایی که تنها اطلاعات مربوط به تغییر جرم، اندازه گیری می شود، هیچ چیز در مورد استحاله ها، قابل ردیابی نیست. انرژی انتقال یافته و یا نحوه ی آزاد شدن و یا جذب آن، تشخیص داده نمی شود. TGA تنها تغییر در جرم را اندازه گیری می کند. این کار معمولاً در گستره ی دمای محیط تا 1200 درجه انجام می شود.
TMA در واقع تغییر ابعادی ایجاد شده در نمونه را به عنوان تابعی از دما و زمان، اندازه گیری می کند. در این دستگاه، هم تغییر خطی و هم تغییر حجمی می تواند اندازه گیری شود. TMA در واقع تغییرات ابعادی نمونه را اندازه گیری می کند. این دستگاه عموماً در گستره ی دمایی -160 ℃ تا +1200℃ کار می کند.
DMA یک روش آنالیز حرارتی است که در واقع خواص مواد را تحت تنش های دوره ای، اندازه گیری می کند. DMA در کاربردهای تنش سینوسی متناوب مورد استفاده قرار می گیرد و بدین وسیله، کرنش های سینوسی منتج شده، اندازه گیری می شود. در واقع DMA روشی برای اندازه گیری مدول (سفتی) و کاهش میزان انرژی (توزیع انرژی) تحت تنش های نوسانی و دوره ای می باشد. DMA تغییر در مدول و تعدیل انرژی را در گستره ی دمایی -150 ℃ تا +500℃ اندازه گیری می کند.

کاربردها

کاربردهای عملی مربوط به هر روشف متعدد می باشد و این عملی نیست که لیستی از این کاربردها، تهیه کرد. بنابراین، برای هر روش TA که ما در مورد آنها صحبت کردیم، یک خلاصه در مورد کاربردهای بالقوه، بیان خواهیم کرد.
اطلاعاتی که می تواند از DTA و DSC بدست آید، یکسان است، به جز اینکه DSC اطلاعات کمی و کیفی به ما می دهد. DSC و DTA منحصراً برای مطالعه ی دما و طبیعت استحاله ها در موادی استفاده می شوند که تحت اتمسفرهای مختلف، حرارت داده می شوند. پایداری اکسیداسیون مواد مختلف، به سهولت با استفاده از این روش، تشخیص داده می شود. ارزیابی های مربوط به آتشگیری پلیمرها و آنالیز مربوط به استحاله های فازی، نیز با استفاده از این روش ها، انجام می شود.
پوشش ها عموماً متحمل استحاله های فازی شاخصی می شوند که می توان از آنها برای شناسایی مواد مختلف استفاده کرد. در واقع با استفاده از این دستگاه، امکان بررسی واکنش های گرماگیر، گرماده، واکنش های شیمیایی و فیزیکی، واکنش کریستالیزاسیون و پیوند عرضی، میزان مواد فرار، تغییرهای فازی و اکسیداسیون و یا تجزیه ی حرارتی، مقدور می باشد. DSC با قابلیت اندازه گیری کمی یک واکنش، در واقع تعیین کمی حرارت های نسبی مربوط به ترکیب شدن را مهیا می کند. بررسی این مورد برای مواد ضد آتش و مواد خام، ضروی می باشد. در این آزمایش، میزان اثربخشی مربوط به مواد ضد آتش، ارزیابی می شود.
پارامترهای کینتیکی مربوط به واکنش های شیمیایی از داده های DSC بدست می آیند. مطالعات انجام شده بوسیله ی روش های هم دما، و روش هایی که در آنها، دما افزایش می یابد، مورد استفاده قرار می گیرد. این روش ها، از نرخ تغییر حرارتی به عنوان یک پارامتر اندازه گیری شده، استفاده می کنند. واکنش کلاسیک اپوکسی- آمین، کمک می کند تا روش های تولید را مدل سازی کرده و بدین وسیله، میزان مصرف مواد اولیه و همچنین زمان واکنش، مینیمم گردد. علاوه بر این، به دلیل اینکه پیرشدگی یا اکسیداسیون، یک واکنش گرمازاست، این روش برای مطالعه ی پایداری دراز مدت پوشش نیز مورد استفاده قرار می گیرد.
کاربردهای TGA به عنوان یک ابزار تحلیلی در مورد تعیین توده ی جرمی نمونه به عنوان تابعی از زمان و دما می باشد. در این دستگاه، روش های هم دما و غیر هم دما، مورد استفاده قرار می گیرد. به هر حال، مشابه DSC، در این دستگاه نیز، کینتیک تجزیه، پیرشدگی تشدید یافته و پایداری در برابر اکسیداسیون، ارزیابی می شود.
برخلاف DSC که در آن حرارت دهی بوسیله ی فرایند هدایت انجام می شود، TGA بوسیله ی همرفت و تابش، نمونه را گرم می کند. بنابراین، سنسور دمایی قرار داده شده در نزدیکی نمون، دمای واقعی را نشان می دهد.
استفاده هایی که در آنها تجزیه ی پلیمر مد نظر است، عمر مفید پلیمر، مواد ضد آتش موجود در این پلیمرها و کینتیک خشک شدن، گزارش داده می شود.
برای آنالیز پوشش، آنالیز ترکیبی ممکن است موجب تعیین این مسئله شود که چرا تغییر در خواص مربوط به کارایی، اتفاق می افتد. برای مثال، نمودار اتلاف وزن برای مواد مختلف می توان بگوید که چرا ماده نسبت به حالت ایده آل، تفاوت رفتاری دارد. در بررسی ها، این مشاهده شده است که اتلاف وزنی در دماهای مختلف و حالت های مختلف اتفاق می افتد که نشاندهده ی تفاوت مواد مختلف می باشد.
با افزایش کنترل بر میزان مواد فرار در پوشش ها، TGA برای بررسی میزان مواد فرار آلی، استفاده می شود.
در مورد DSC، پایداری گرمایی و یا تخریب طولانی مدت پوشش های بر پایه ی رزین، می تواند به عنوان یک ابزار برای فرموله کردن، استفاده شود.
استفاده های مربوط به TMA در واقع مربوط به ابعاد نمونه ها و بررسی میزان تغییر آنها با زمان و دما می باشد. اطلاعات بدست آمده از این آزمایش، در واقع اطلاعاتی حاوی سازگارپذیری پوشش و زیرلایه، کارایی الاستومرها در محیط های خورنده و چسبندگی ماده به ماده ی دیگر می باشد.
کاربرد مستقیم از TMA در تکنولوژی پوشش ها در دیلاتومترها یافت می شود. در این دیلاتومترها، هدف تعیین ضریب انبساط حرارتی می باشد. این دستگاه به طور خاص در جایی مورد استفاده قرار می گیرد که دو پوشش غیر متشابه، به هم متصل شوند.
با استفاده از DMA، داده هایی در مورد دمای انتقال، پدیده ی عمل آوری و خواص مکانیکی فراهم می آورد. این خواص، شامل مقاومت در برابر ضربه و حتی جذب صدا نیز می باشد. در این تکنولوژی، خواص ماده در حین تغییر شکل ایجاد شده بواسطه ی تنش های دوره ای، اندازه گیری می شود. یکی دیگر از مزیت های استفاده از این آزمون، اندازه گیری میزان ویسکوالاستیسیته در مولکول های با پیوند عرضی می باشد. مقادیر مربوط به مدول، مانند مدول یانگ اطلاعات ارزشمندی در مورد سفتی ماده فراهم می آورد، این در حالی است که پدیده ی تحلیل انرژی مقدار انرژی پراکنده شده در طی تغییر شکل را برای ما تعیین می کند.
در تکنولوژی پوشش، DMA قادر است تا خواص فیلم ها را نیز مورد بررسی قرار دهد. در واقع خواصی همچون عمل آوری و اطلاعات دیگر از این فیلم ها، بوسیله ی این تکنولوژی اندازه گیری می شود. خواص مختلفی در مورد نقطه ی انتقال شیشه ها، با این روش، قابل اندازه گیری است. برای مثال، در مواد ترموپلاستیک، با افزایش مدول حالت لاستیکی، متعمولاً وزن مولکولی نیز افزایش می یابد. در ترموست ها، افزایش در مدول حالت لاستیکی، نشاندهنده ی وجود پیوندهای عرضی بیشتر در این مواد است.
TA به طور پیوسته بهبود می یابد و بدین صورت، روش های با قابلیت اطمینان بالاتر، سریع تر و با اطلاعات جدیدتر، کشف می شود. برای مثال، در بیشتر اندازه گیری های تجزیه ای در TGA ها، نرخ حرارت دهی در طی تغییر در ترکیب شیمیایی، ثابت می ماند. این مسئله در واقع با سرمایش داخلی جبران می شود. وسایلی موجود می باشند که در آنها داده های TGA و DSC به صورت همزمان استخراج می شوند.
رزولیشن ماکزیمم مربوط به TGA که با نرخ تنظیم بیان می شود، اتلاف های وزنی را آدرس دهی می کند که در طی همپوشانی نواحی دمایی، رخ می دهد. همپوشانی می تواند با استفاده از اولین انحراف در سیگنال های TGA، تشخیص داده شود.
TA، نیز مشابه روش بیان شده در بالا، می تواند با طیف سنج جرمی و یا طیف سنج فروسرخ ترکیب شده و برای آنالیز مواد مورد استفاده قرار گیرد.
DMA امرزوه در حالت های ترسیم چندگانه، موجود می باشد. این بخش ها، ادوات پیچیده و گسترده ای دارند. ما تلاش کردیم تا قابلیت های TA را در این مقاله برای شما توضیح دهیم. این تکنولوژی در زمانی بهترین کارایی را دارد که روابط بین تشکیل، فرآوری و کارایی پوشش، مورد بررسی قرار گیرد.

منبع مقاله :
Coating technology handbook/ Arthur A. Tracton