ISO 11357-2 Tworzywa sztuczne – Różnicowa kalorymetria skaningowa (DSC) – Część 2: Oznaczanie temperatury zeszklenia i wysokości stopnia

Norma „ISO 11357-2 Tworzywa sztuczne - Różnicowa kalorymetria skaningowa (DSC) - Część 2: Oznaczanie temperatury zeszklenia i wysokości stopnia zeszklenia”, opublikowana przez Międzynarodową Organizację Normalizacyjną (ISO), opisuje metody oznaczania temperatury zeszklenia i wysokości stopnia zeszklenia tworzyw sztucznych amorficznych i częściowo krystalicznych.

Na potrzeby niniejszej normy stosuje się następujące definicje, oprócz terminów i definicji podanych w normach ISO 472 i ISO 11357-1:

• Temperatura zeszklenia: Odnosi się do charakterystycznej wartości zakresu temperatur, w którym zachodzi zeszklenie. Przypisana temperatura zeszklenia może się różnić w zależności od konkretnej właściwości oraz metody i warunków wybranych do jej pomiaru.
• Wysokość stanu zeszklenia: Odnosi się do różnicy ciepła właściwego między górną a dolną ekstrapolowaną linią bazową w temperaturze zeszklenia. W przypadku polimerów częściowo krystalicznych wysokość stanu zeszklenia jest proporcjonalna do zawartości fazy amorficznej.

Zasadniczo różnica w natężeniu przepływu ciepła między próbką a tyglem odniesienia jest mierzona jako funkcja temperatury i czasu, podczas gdy próbka i tygiel odniesienia są poddawane temu samemu programowi kontroli temperatury w określonej atmosferze. Można przeprowadzić dwa rodzaje różnicowej kalorymetrii skaningowej (DFS): różnicową kalorymetrię skaningową strumienia ciepła (DSC) oraz różnicową kalorymetrię skaningową z kompensacją mocy. Zmiana natężenia przepływu ciepła jest rejestrowana jako funkcja temperatury, a temperatura zeszklenia i wysokość stopnia są określane na podstawie otrzymanej krzywej.

W dziedzinie nauki o polimerach i inżynierii materiałowej precyzyjna analiza termiczna jest niezbędna do scharakteryzowania zachowania się tworzyw sztucznych w warunkach wahań temperatury. Jedną z kluczowych właściwości jest temperatura zeszklenia, czyli punkt, w którym polimer amorficzny przechodzi ze stanu twardego, szklistego w stan miękki, gumowaty. Dokładny pomiar temperatury zeszklenia zapewnia niezawodność produktu w zastosowaniach od folii opakowaniowych po komponenty samochodowe.

Norma ISO 11357-2, będąca częścią szerszej serii norm ISO 11357 dotyczących tworzyw sztucznych i różnicowej kalorymetrii skaningowej (DSC), przedstawia znormalizowaną metodę określania temperatury zeszklenia przy użyciu różnicowej kalorymetrii skaningowej.

Niniejsza norma ma zastosowanie do polimerów amorficznych i półkrystalicznych (z wyłączeniem polimerów w pełni krystalicznych bez temperatury zeszklenia). Obejmuje ona pomiary temperatury zeszklenia w zakresie od -100°C do +600°C, w zależności od wydajności urządzenia do różnicowej kalorymetrii skaningowej. Jednakże temperatury topnienia (ISO 11357-3), krystalizacja (ISO 11357-4) ani czas indukcji utleniania (ISO 11357-6) nie są objęte zakresem niniejszej normy.

Norma ISO 11357-2 jest spójna z pozostałymi częściami tej normy i wspiera ujednolicone ramy różnicowej kalorymetrii skaningowej do określania charakterystyk cieplnych.

Różnicowa kalorymetria skaningowa (DSC) mierzy różnice w przepływie ciepła między próbką a punktem odniesienia, gdy temperatura zmienia się z kontrolowaną szybkością. W DSC z przepływem ciepła (najbardziej powszechnym) oba elementy znajdują się w tym samym piecu, natomiast w DSC z bilansem mocy oddzielne grzałki utrzymują tę samą temperaturę.

Temperatura zeszklenia nie jest ostrym pikiem, jak w przypadku topnienia, lecz przemianą drugiego rzędu, charakteryzującą się skokową zmianą pojemności cieplnej. Pojawia się ona jako przesunięcie linii bazowej na termogramie DSC z powodu zwiększonej ruchliwości cząsteczek. Wysokość stopnia zeszklenia, czyli pionowe przesunięcie przepływu ciepła, określa ilościowo zmianę pojemności cieplnej właściwej. Czynniki wpływające obejmują szybkość nagrzewania, historię próbki (np. wyżarzanie), wilgotność i masę cząsteczkową. Norma ISO 11357-2 normalizuje te parametry w celu zminimalizowania zmienności.

Norma ISO 11357-2 zawiera rygorystyczny protokół:

• Przygotowanie próbki: Masa 5-20 mg (zwykle 10 mg dla dokładności). Cienkie warstwy, proszki lub granulki są hermetycznie zamykane w aluminiowych pojemnikach, aby zapobiec wnikaniu wilgoci. Jeśli próbki są higroskopijne, suche próbki są kondycjonowane, opcjonalnie przez podgrzewanie, w celu wymazania historii termicznej.
• Kalibracja przyrządu: Temperatura jest regulowana za pomocą wzorców o wysokiej czystości (np. indu o temperaturze 156,6 stopnia). Podstawowa korekta jest przeprowadzana przy użyciu pustych naczyń do pomiaru przepływu ciepła.
• Warunki testu:
• Szybkość nagrzewania: 10-20 K/min (zaleca się 20 K/min dla standardowej temperatury zeszklenia, wolniejsze szybkości, np. 10 K/min, umożliwiają uzyskanie precyzji).
• Atmosfera: gaz obojętny (azot lub hel) o przepływie 20–50 ml/min.
• Program temperaturowy: Początkowe nagrzewanie, od 50 stopni poniżej do 50 stopni powyżej oczekiwanej temperatury zeszklenia. Chłodzenie z prędkością co najmniej 20 K/min w celu usunięcia wcześniejszych zmian temperatury. Drugie nagrzewanie jest powtarzane w celu osiągnięcia powtarzalnej temperatury zeszklenia (obowiązkowej dla polimerów półkrystalicznych).
• Analiza danych:
• Metody określania temperatury zeszklenia (preferowana temperatura środkowa):
• Punkt początkowy (ekstrapol): Przecięcie się stycznych do linii bazowych po poprzednim lub kolejnym kroku.
• Punkt środkowy: połowa wysokości stopnia (najczęściej spotykany według ISO).
• Punkt zwrotny: Punkt maksymalnego nachylenia.
• Obliczanie wysokości stopnia zeszklenia: różnica przepływu ciepła między ekstrapolowanymi liniami bazowymi jest normalizowana zgodnie z masą i prędkością.
• Proces ten zazwyczaj jest automatyzowany przez oprogramowanie, jednak zaleca się weryfikację ręczną.
• Raportowanie: Podaje się metodę, wartości temperatury zeszklenia, termogram z zaznaczonymi punktami i niepewności (zwykle plus/minus ±1-2 stopnie dla temperatury zeszklenia).

Główne obszary zastosowań normy ISO 11357-2 są następujące:

• Wybór materiału: Temperatura zeszklenia decyduje o temperaturze użytkowania.
• Kontrola jakości: wykrywane są różnice w partiach lub zepsucie.
• Prace badawczo-rozwojowe: Badane są dodatki, mieszanki i procesy utwardzania (np. podwyższanie temperatury zeszklenia epoksydu poprzez sieciowanie).
• Branże: Motoryzacja (deski rozdzielcze), elektronika (PCB), urządzenia medyczne (tworzywa sztuczne nadające się do sterylizacji).

Krótko mówiąc, norma ISO 11357-2 jest niezbędnym narzędziem do wiarygodnego pomiaru temperatury zeszklenia, promując globalną spójność charakterystyki polimerów. Prowadzi to do rozwoju bezpieczniejszych produktów.

Nasza organizacja, z kompetentną i doświadczoną kadrą, od wielu lat rozumie potrzeby klientów, oferując im zaawansowane usługi badawcze oraz wspierając ich we wdrażaniu, wdrażaniu i doskonaleniu systemów zarządzania. W tym zakresie świadczymy również usługi badawcze dla przedsiębiorstw zgodnie z normą „ISO 11357-2 Tworzywa sztuczne – Różnicowa kalorymetria skaningowa (DSC) – Część 2: Oznaczanie temperatury zeszklenia i wysokości stopnia”.