近年来, 高分子及复合材料发展迅速, 其种类越来越多, 产品形式越来越丰富, 应用领域也越来越广泛。对高分子材料的准确定性定量分析, 具有十分重要的实际意义。热分析是表征材料的基本方法之一, 它的核心就是研究物质在受热或冷却时产生的物理和化学的变迁速率和温度以及所涉及的能量和质量变化。
近年来在各个领域, 特别是高分子材料领域, 都有了长足发展。根据ISO 9000标准, 热分析仪器已经成为QA/QC、工业实验室和研究开发中不可缺少的设备。使用现代化的热分析仪器系统, 可以使测量操作快速、简便、可靠。差示扫描量热法 (DSC) 是应用最广泛的热分析技术之一。
2、差示扫描量热法 (DSC)
是应用最广泛的热分析技术之一, 测试曲线体现高分子热力学原理中机械性能与其热力学性质—玻璃化转变温度 (Tg) 、熔融温度 (Tm) 、结晶温度 (Tc) 、及热焓值等具有的一定关系。氧化诱导期测试 (O.I.T) 直接得出高分子材料的氧化行为和添加剂之间相互影响的信息。高压DSC则可进一步分析压力对高分子材料氧化反应、交联反应和结晶行为的影响。DSC曲线上熔融峰的形态可以体现高分子结晶物晶粒尺寸分布的信息, 熔融焓则说明了该种材料结晶度。而许多半结晶的热塑性材料在DCS分析中均会在熔融温度前出现放热的冷结晶峰, 体现出半结晶热塑性材料在实际生产过程中产生的收缩影响材料的使用。DSC分析技术还可以测得杂质和湿度对高分子材料的影响。在程控冷却过程中可以得出材料结晶温度、结晶速率以及成核剂和回收材料之间的相互影响。第二次加热曲线则直接说明加工工艺和制备条件对高分子材料的影响。下文中举例说明DCS的实际应用例子。
3、差示扫描量热法 (DSC) 鉴定不同类型的PP管材
当前市场上出现的PP管材类型较多, 主要有:丙烯与少量乙烯 (1.5%~7%) 的无规共聚物 (PP-R) 管材[1]、丙烯与少量乙烯 (7%~15%) 的嵌段共聚物 (PP-B) 管材以及由聚丙烯 (PP-H) 与少量聚乙烯 (PE) 的共混物制备的管材。PP-H的长期耐高温性能远高于PP-R和PP-B, 因此在一些工业高温使用领域运用的较多;而PP-B在耐低温性能方面比PP-R和PP-H更好, 因此一般应用在冷水工况环境;PP-R性能相对来说介于前两者之间, 一般应用于低温水工况环境。另外, PP-R的最大优点在于其长期耐蠕变性能优异, 在持续工作水压、水温高达95℃情况下, 其使用寿命可以长达50年。加之其在卫生、环保、耐腐、抗震等环境下的优良性能从而成为给水管道的主导产品之一。依据以上原因为保障施工质量, 鉴定PP管材的类型及热性能显得尤为重要。
试验条件:铝坩埚, N2 (50ml/min) 气氛下, 首先以20℃/min从30℃升温至200℃, 然后冷却到30℃, 再以10℃/min升温至200℃;
图1-1两种不同管材的DSC曲线
表1-1两种管材的熔融峰温Tpm
图1-1和表1-1描述了两种不同类型PP管材的熔融行为及其熔融峰温度, 结合前文的分析, 可以判定:管A是由PP-B或PP-H与PE的共混物制造, 而管B是PP-R材质。
分析以上三类PP管材的分子结构, 可以得出, PP-R中乙烯单体无规、随机地分布到丙烯的长链中, 较大程度地降低了原聚合物的结晶度和熔点 (熔融峰温降低至146℃以下) , 且整体呈均相结构, 只显示单一的熔融峰;PP-B中乙烯与丙烯单体分布在不同相中, 并未将原聚合物的规整度有效降低, 因而聚合物熔点降低不明显, 并且呈两相结构, 因而会出现两个熔融峰, 分别位于120℃和165℃左右;PP-H与PE的共混物与PP-B的结构相似, 呈两相分布, 熔融行为也相似。根据上述分析, 使用DSC测定PP管材的熔点及其熔融曲线的特征, 即可鉴别其类型。
4、结束语
热分析所研究的物质由无机物 (金属、矿物、陶瓷材料等) 逐步扩展到有机物、高聚物、药物、络合物、液晶和生物高分子、空间技术等。随着这些材料应用领域的不断拓展, 以及热分析仪器的不断发展进步, 热分析技术在各个领域的应用必将进一步扩大。
