ISO 11357-2 Plásticos - Calorimetria Diferencial de Varredura (DSC) - Parte 2: Determinação da Temperatura de Transição Vítrea e da Altura do Degrau

A norma “ISO 11357-2 Plásticos - Calorimetria diferencial de varredura (DSC) - Parte 2: Determinação da temperatura de transição vítrea e da altura do degrau”, publicada pela Organização Internacional de Normalização (ISO), descreve métodos para determinar a temperatura de transição vítrea e a altura do degrau de transição vítrea de plásticos amorfos e parcialmente cristalinos.

Para efeitos desta norma, aplicam-se as seguintes definições, além dos termos e definições constantes das normas ISO 472 e ISO 11357-1:

Temperatura de transição vítrea: Refere-se ao valor característico da faixa de temperatura na qual ocorre a transição vítrea. A temperatura de transição vítrea atribuída pode variar dependendo da propriedade específica e do método e condições escolhidos para medi-la.
Altura do estado de transição vítrea: Refere-se à diferença na capacidade calorífica específica entre as linhas de base extrapoladas superior e inferior na temperatura de transição vítrea. Para polímeros parcialmente cristalinos, a altura do estado de transição vítrea é proporcional ao teor amorfo.

Em princípio, a diferença na taxa de fluxo de calor entre a amostra e o cadinho de referência é medida em função da temperatura e do tempo, enquanto a amostra e a referência são submetidas ao mesmo programa de controle de temperatura em uma atmosfera específica. Dois tipos de calorimetria diferencial de varredura (DSC) podem ser realizados: DSC de fluxo de calor e DSC com compensação de potência. A variação na taxa de fluxo de calor é registrada em função da temperatura, e a temperatura de transição vítrea e a altura do degrau são determinadas a partir da curva resultante.

Nos campos da ciência dos polímeros e da engenharia de materiais, a análise térmica precisa é essencial para caracterizar o comportamento dos plásticos sob variações de temperatura. Uma das propriedades críticas é a temperatura de transição vítrea, que é o ponto em que um polímero amorfo passa de um estado rígido e vítreo para um estado macio e emborrachado. A medição precisa da temperatura de transição vítrea garante a confiabilidade do produto em aplicações que vão desde filmes de embalagem até componentes automotivos.

A norma ISO 11357-2, parte da série mais ampla de normas ISO 11357 sobre plásticos e calorimetria diferencial de varredura (DSC), fornece um método padronizado para determinar a temperatura de transição vítrea usando calorimetria diferencial de varredura.

Esta norma aplica-se a polímeros amorfos e semicristalinos (excluindo polímeros totalmente cristalinos sem temperatura de transição vítrea). Abrange medições de temperatura de transição vítrea numa faixa de temperatura entre -100 °C e +600 °C, dependendo da capacidade do calorímetro diferencial de varredura. No entanto, os pontos de fusão (ISO 11357-3), cristalização (ISO 11357-4) ou tempo de indução à oxidação (ISO 11357-6) estão fora do âmbito desta norma.

A norma ISO 11357-2 é consistente com outras partes desta norma e oferece suporte a uma estrutura unificada de calorimetria diferencial de varredura para características térmicas.

A calorimetria diferencial de varredura (DSC) mede as diferenças no fluxo de calor entre uma amostra e uma referência à medida que a temperatura varia a uma taxa controlada. Na DSC de fluxo de calor (a mais comum), ambas as amostras estão no mesmo forno, enquanto na DSC de potência balanceada, aquecedores separados mantêm temperaturas iguais.

A temperatura de transição vítrea não é um pico acentuado como a fusão, mas sim uma transição de segunda ordem marcada por uma mudança abrupta na capacidade calorífica. Ela aparece como um deslocamento da linha de base no termograma DSC devido ao aumento da mobilidade molecular. A altura do degrau da transição vítrea, o deslocamento vertical no fluxo de calor, quantifica a mudança na capacidade calorífica específica. Os fatores que influenciam incluem a taxa de aquecimento, o histórico da amostra (por exemplo, recozimento), a umidade e a massa molecular. A norma ISO 11357-2 padroniza esses fatores para minimizar a variabilidade.

A norma ISO 11357-2 inclui um protocolo rigoroso:

Preparação da amostra: Massa de 5 a 20 mg (geralmente 10 mg para maior precisão). Filmes finos, pós ou grânulos são selados hermeticamente em recipientes de alumínio para evitar a entrada de umidade. Se higroscópicas, as amostras secas são condicionadas, opcionalmente por pré-aquecimento, para fins de eliminação do histórico térmico.
Calibração do instrumento: A temperatura é ajustada utilizando padrões de alta pureza (por exemplo, índio a 156,6 graus). A correção básica é realizada utilizando recipientes vazios para o fluxo de calor.
Condições de teste:
Taxa de aquecimento: 10-20 K/min (20 K/min é recomendado para a temperatura de transição vítrea padrão; taxas mais lentas, como 10 K/min, são mais precisas).
Atmosfera: Gás inerte (nitrogênio ou hélio) a 20-50 mL/min.
Programa de temperatura: Aquecimento inicial de 50 graus abaixo a 50 graus acima da temperatura de transição vítrea esperada. Resfriamento a uma taxa mínima de 20 K/min para eliminar as variações de temperatura anteriores. Um segundo aquecimento é repetido para atingir uma temperatura de transição vítrea consistente (obrigatório para polímeros semicristalinos).
Análise de dados:
Métodos para determinar a temperatura de transição vítrea (preferencialmente pelo ponto médio):
Ponto inicial (extrapolo): A intersecção das tangentes às linhas de base após a etapa anterior ou subsequente.
Ponto médio: Metade da altura do degrau (o mais comum de acordo com a norma ISO).
Ponto de inflexão: Ponto de inclinação máxima.
Cálculo da altura do degrau de transição vítrea: A diferença no fluxo de calor entre as linhas de base extrapoladas é normalizada de acordo com a massa e a velocidade.
Normalmente, o software automatiza esse processo, mas a verificação manual é recomendada.
Relatório: O método, juntamente com os valores da temperatura de transição vítrea, o termograma com os pontos marcados e as incertezas (tipicamente mais/menos ±1-2 graus para a temperatura de transição vítrea) são apresentados.

As principais áreas de aplicação da norma ISO 11357-2 são as seguintes:

Seleção de materiais: A temperatura de transição vítrea determina a temperatura de serviço.
Controle de qualidade: são detectadas variações entre lotes ou deterioração dos produtos.
P&D: Aditivos, misturas ou processos de cura estão sendo investigados (por exemplo, aumentando a temperatura de transição vítrea da resina epóxi por meio de reticulação).
Indústrias: Automotiva (painéis de instrumentos), eletrônica (placas de circuito impresso), dispositivos médicos (plásticos esterilizáveis).

Em resumo, a norma ISO 11357-2 é uma ferramenta indispensável para a medição confiável da temperatura de transição vítrea, promovendo a consistência global na caracterização de polímeros. Isso leva ao desenvolvimento de produtos mais seguros.

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