Trang 1 TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN KHOA KHOA HỌC VẬT LIỆU Trang 2 Giới thiệu Phân tích nhiệt là phương pháp phân tích các tính chất vật lý cũng như hóa học của mẫu đo một cách l
Một số tính chất nhiệt
Nhiệt dung, nhiệt dung riêng
Nhiệt dung là lượng nhiệt vật hoặc một khối chất thu vào hay tỏa ra để tăng hoặc giảm 1°K hoặc 1°C Nhiệt dung C được viết như sau
Năng lượng dQ cần thiết để gây ra sự biến thiên nhiệt độ dT thường được tính theo mol của vật liệu, với đơn vị là J/mol.K hoặc cal/mol.K.
Có hai phương pháp đo nhiệt dung của vật liệu, tương ứng với các điều kiện môi trường và cách truyền nhiệt Phương pháp đầu tiên là nhiệt dung đẳng tích (Cv), trong đó thể tích mẫu được giữ cố định Phương pháp thứ hai là nhiệt dung đẳng áp, liên quan đến áp suất không đổi.
Cp luôn lớn hơn Cv, nhưng sự khác biệt giữa chúng thường rất nhỏ đối với hầu hết các vật liệu rắn ở nhiệt độ phòng và thấp hơn.
Nhiệt dung do dao động mạng Đề tài nghiên cứu khoa học
Trong các vật rắn, năng lượng nhiệt chủ yếu được cân bằng thông qua sự gia tăng năng lượng dao động của các nguyên tử Các nguyên tử trong vật liệu rắn liên tục dao động với tần số cao và biên độ nhỏ, tạo ra những dao động phối hợp nhờ liên kết nguyên tử Những dao động này có thể được xem như sóng đàn hồi, hay sóng âm, với bước sóng ngắn và tần số cao, lan truyền trong tinh thể với tốc độ âm thanh Năng lượng dao động nhiệt trong vật liệu bao gồm nhiều sóng đàn hồi với phân bố và tần số khác nhau Theo lý thuyết lượng tử, năng lượng dao động nhiệt trong chất rắn bị lượng tử hóa, chỉ cho phép một số giá trị năng lượng nhất định Một lượng tử của năng lượng dao động được gọi là phonon, và thuật ngữ phonon cũng thường được sử dụng để chỉ các sóng dao động này.
Dao động song đàn hồi gây ra tần xạ nhiệt của các điện tử tự do trong quá trình dẫn điện, đồng thời cũng đóng vai trò quan trọng trong việc vận chuyển năng lượng trong dẫn nhiệt.
Nhiệt dung riêng, ký hiệu là c, là lượng nhiệt cần thiết để tăng nhiệt độ của một đơn vị khối lượng vật liệu lên 1°C, được đo bằng đơn vị J/kg.K hoặc cal/g.K Trong hệ thống đo lường quốc tế, đơn vị của nhiệt dung riêng là Joule trên kilôgam trên Kelvin (J•kg −1 •K −1) hoặc Joule trên mol trên Kelvin.
Nhiệt dung riêng C được xác định khi một vật có khối lượng M ở nhiệt độ T1 cần truyền một nhiệt lượng Q để nhiệt độ tăng lên T2 C được tính bằng công thức: C = Q / (M * (T2 - T1)).
Công thức 2: Giả sử vật rắn khảo sát có khối lượng M, nhiệt độ T và nhiệt dung riêng C
Cho vật rắn vào nhiệt lượng kế có que khuấy chứa nước ở nhiệt độ T1 Gọi m1 là khối lượng của nhiệt lượng kế cùng với que khuấy Đây là một đề tài nghiên cứu khoa học.
C 1 là nhiệt dung riêng của chất làm nhiệt lượng kế m 2 là khối lượng nước chúa trong nhiệt lượng kế
C 2 là nhiệt dung riêng của nước
Nếu T >T 1 thì vật rắn tỏa ra một nhiệt lượng Q và nhiệt độ vật giảm từ T xuống T 2
Q=M.C.(T – T 2 ) Đồng thời nhiệt lượng kế que khuấy và nước nhận số nhiệt lượng ấy để tăng nhiệt từ T 1 đến T 2
Độ dẫn nhiệt
Đề tài nghiên cứu khoa học
Dẫn nhiệt là quá trình truyền nhiệt giữa các phần tử khi chúng tiếp xúc trực tiếp và có sự chênh lệch về nhiệt độ.
Độ dẫn nhiệt trên tinh thể được xác định bởi sự lan truyền dao động nhiệt của các phân tử Đây là một đại lượng vật lý quan trọng, phản ánh khả năng dẫn nhiệt của vật liệu Biểu thức tính toán độ dẫn nhiệt giúp hiểu rõ hơn về tính chất này.
Mật độ nhiệt thông được định nghĩa là dòng nhiệt truyền qua một đơn vị diện tích trong một khoảng thời gian nhất định, với diện tích được xác định vuông góc với hướng của dòng nhiệt.
Gradient nhiệt độ dT/dx thể hiện sự truyền nhiệt qua môi trường dẫn nhiệt, với đơn vị q và k lần lượt là W/m² và W/m.K Phương trình này chỉ áp dụng cho dòng nhiệt ở trạng thái ổn định, tức là khi mật độ dòng nhiệt không thay đổi theo thời gian Dấu trừ trong biểu thức cho thấy dòng nhiệt di chuyển từ vùng có nhiệt độ cao đến vùng có nhiệt độ thấp, theo hướng giảm gradient nhiệt độ.
Vd : độ dẫn nhiệt của 1 số vật liệu Đề tài nghiên cứu khoa học
Các cơ chế dẫn nhiệt
Trong các vật liệu rắn, nhiệt được truyền qua cả dao động mạng (phonon) và điện tử tự do Độ dẫn nhiệt toàn phần được xác định bởi tổng hai thành phần này: k = k1 + ke, trong đó k1 là độ dẫn nhiệt do dao động mạng và ke là do điện tử Thông thường, một trong hai thành phần này sẽ chiếm ưu thế Năng lượng nhiệt của các phonon được truyền theo hướng chuyển động của chúng, với thành phần k1 liên quan đến chuyển động của phonon từ vùng nhiệt độ cao đến vùng nhiệt độ thấp trong vật thể.
Các điện tử tự do, hay còn gọi là các điện tử dẫn, đóng vai trò quan trọng trong quá trình dẫn nhiệt Khi ở vùng nóng của vật liệu, các điện tử này có động năng lớn hơn và di chuyển về phía các vùng lạnh hơn Quá trình này dẫn đến việc một phần động năng được chuyển giao, góp phần vào sự cân bằng nhiệt độ trong vật liệu.
Năng lượng dao động của các nguyên tử tăng lên do va chạm với phonon hoặc khuyết tật mạng Sự đóng góp tương đối của ke tăng theo nồng độ điện tử tự do, vì càng có nhiều điện tử tham gia vào quá trình dẫn nhiệt.
3 Hệ số dãn nở nhiệt
Hệ số giãn nở nhiệt trong khoa học vật liệu là đại lượng quan trọng thể hiện sự thay đổi kích thước của vật liệu khi nhiệt độ biến đổi Hầu hết các vật liệu rắn đều có xu hướng nở ra khi được nung nóng và co lại khi làm nguội.
Sự thay đổi chiều dài theo nhiệt độ của vật liệu rắn có thể được biểu thị như sau:
l0 là lr – tương ứng chiều dài ban đầu và chièu dài cuối cùng khi thay đổi nhiệt độ từ T0 đến Tr
α1 - hệ số dài của giãn nở nhiệt oC-1
Sự nung nóng hoặc làm nguội ảnh hưởng đến mọi kích thước của vật thể, gây ra sự thay đổi thể tích Biểu thức tính toán sự thay đổi này có thể được áp dụng để xác định mức độ biến đổi của vật liệu khi nhiệt độ thay đổi.
Vo và ∆V – tương ứng thể tích ban đầu và độ biến thiên thể tích
Hệ số thể tích của giãn nở nhiệt trong nhiều loại vật liệu có tính chất dị hướng, tức là nó phụ thuộc vào hướng tinh thể Đối với các vật liệu có sự giãn nở nhiệt đẳng tích, giá trị này gần đúng bằng.
4 Ứng suất nhiệt Ứng suất nhiệt là ứng suất được gây ra trong vật thể do sự thay đổi nhiệt độ Tìm hiểu nguồn gốc và bản chất của ứng suất nhiệt là rất quan Đề tài nghiên cứu khoa học
Ứng suất do sự giãn nở và co lại bị hạn chế có thể gây ra nứt vỡ hoặc biến dạng dẻo không mong muốn, do đó cần được chú trọng để đảm bảo tính bền vững của vật liệu.
Khi xem xét một thanh đồng chất và đẳng hướng bị nung nóng hoặc làm lạnh đồng đều, thanh sẽ không chịu ứng suất khi giãn hoặc co tự do Tuy nhiên, nếu chuyển động dọc trục của thanh bị hạn chế bởi các giá cứng chặn ở hai đầu, sẽ xuất hiện ứng suất nhiệt Độ lớn của ứng suất σ do sự biến thiên nhiệt độ từ To đến Tr được xác định rõ ràng.
α1- hệ số giãn nở nhiệt dài
Khi nhiệt độ tăng (Tr > To), ứng suất trong thanh sẽ chuyển thành nén (σ < 0) do sự giãn nở bị hạn chế Ngược lại, khi thanh bị làm lạnh (Tr < To), ứng suất kéo sẽ xuất hiện, giúp thanh trở về độ dài ban đầu sau khi giãn nở do biến đổi nhiệt độ To – Tr Ứng suất này là kết quả của gradient nhiệt độ.
ứng suất nhiệt
Ứng suất nhiệt là loại ứng suất xuất hiện trong vật thể khi có sự biến đổi về nhiệt độ Việc nghiên cứu nguồn gốc và bản chất của ứng suất nhiệt đóng vai trò quan trọng trong lĩnh vực khoa học.
Khi xem xét một thanh đặc đồng chất và đẳng hướng bị nung nóng hoặc làm lạnh đồng đều, thanh sẽ không chịu ứng suất khi giãn hoặc co tự do Tuy nhiên, nếu chuyển động dọc trục của thanh bị giới hạn bởi các giá cứng chặn ở hai đầu, sẽ xảy ra ứng suất nhiệt Độ lớn σ của ứng suất được gây ra bởi sự biến thiên nhiệt độ từ To đến Tr.
α1- hệ số giãn nở nhiệt dài
Khi nung nóng thanh (Tr > To), ứng suất sẽ chuyển thành nén (σ < 0) do sự giãn nở của thanh bị giữ lại Ngược lại, khi thanh bị làm lạnh (Tr < To), ứng suất kéo sẽ xuất hiện, giúp thanh trở về độ dài ban đầu sau khi giãn nở do biến đổi nhiệt độ To – Tr Hiện tượng này là do gradient nhiệt độ gây ra.
Khi một vật rắn trải qua quá trình nung nóng hoặc làm nguội, sự phân bố nhiệt độ bên trong sẽ bị ảnh hưởng bởi kích thước, hình dạng, độ dẫn nhiệt của vật liệu và chỉ số biến đổi nhiệt độ Ứng suất nhiệt có thể xuất hiện do gradient nhiệt độ, dẫn đến việc phần ngoài của vật thay đổi nhiệt độ nhanh hơn so với phần bên trong.
Các biến đổi kích thước bộ phận ảnh hưởng đến sự giãn nở hoặc co lại của các phần thể tích xung quanh Khi mẫu được nung nóng, phần ngoài sẽ nóng hơn và giãn nở mạnh hơn so với các vùng bên trong Điều này dẫn đến sự xuất hiện của ứng suất bề mặt và ứng suất nén, được cân bằng bởi các ứng suất kéo bên trong Khi làm nguội nhanh, mối tương quan ứng suất trong – ngoài sẽ đảo ngược, khiến bề mặt chịu ứng suất kéo.
Nhiệt độ giảm nhanh có thể gây ra sốc nhiệt mạnh hơn so với việc nung nóng, do ứng suất kéo phát sinh Việc hình thành và lan truyền vết nứt từ bề mặt dễ dàng xảy ra khi có ứng suất kéo Khả năng của vật liệu để chống lại sự phá hủy này được gọi là độ bền xung nhiệt Đối với gốm bị làm nguội nhanh, độ bền xung nhiệt không chỉ phụ thuộc vào mức độ thay đổi nhiệt độ mà còn vào các tính chất cơ và nhiệt của vật liệu Gốm có độ bền nứt cao, độ dẫn nhiệt tốt, cùng với môđun đàn hồi và hệ số giãn nở nhiệt thấp thường có độ bền xung nhiệt tốt nhất Độ bền của nhiều vật liệu chống lại sự phá hủy này có thể được ước tính thông qua thông số kháng sốc nhiệt TSR.
Để phòng ngừa sốc nhiệt, cần điều chỉnh các điều kiện môi trường nhằm giảm tốc độ làm nguội hoặc làm nóng, đồng thời hạn chế gradient nhiệt độ trong vật thể Cải thiện các đặc tính nhiệt có thể nâng cao khả năng kháng sốc nhiệt của vật liệu, trong đó hệ số giãn nở nhiệt là thông số dễ biến đổi và kiểm soát nhất, ví dụ như ở thủy tinh.
Na phổ thông có hệ số giãn nở khoảng 9.10^-6(oC)^-1, rất nhạy với sốc nhiệt Bằng cách giảm hàm lượng CaO và Na2O, đồng thời bổ sung B2O3, ta có thể tạo ra thuỷ tinh borosilicate (Pyrex) với hệ số giãn nở giảm xuống còn khoảng 3.10^-6(oC)^-1, phù hợp cho chu trình nung nóng và làm nguội Việc thêm lỗ xốp lớn hoặc pha thứ hai mềm cũng cải thiện khả năng chống sốc nhiệt và ngăn ngừa sự lan truyền của vết nứt nhiệt Ứng suất trong vật liệu có thể biến dạng liên tục.
phân tích nhiệt visai
cơ sở của phương pháp
Phân tích nhiệt là phương pháp dựa trên sự thay đổi nhiệt độ của mẫu đo và mẫu chuẩn, được xem như là hàm của nhiệt độ mẫu Mẫu chuẩn có tính chất hoàn toàn xác định và cần phải trơ về nhiệt độ Khi tăng nhiệt độ của hệ, mẫu đo sẽ trải qua một trong hai quá trình giải phóng hoặc hấp thụ nhiệt, mỗi quá trình này tương ứng với một trạng thái chuyển pha Dấu hiệu của năng lượng chuyển pha sẽ cho biết quá trình hấp thụ hay giải phóng nhiệt, đồng thời cho phép xác định nhiệt độ chuyển pha.
Mọi trạng thái chuyển pha của mẫu đo đều phản ánh quá trình giải phóng hoặc thu nhiệt, tương ứng với đạo hàm nhiệt độ được xác định từ mẫu chuẩn.
Khoảng thay đổi nhiệt độ vi phân (AT) liên quan đến nhiệt độ điều khiển T cho phép phân tích quá trình chuyến pha trong hệ Việc này giúp xác định liệu quá trình chuyến pha là tỏa nhiệt hay thu nhiệt.
tính năng của phương pháp
Phương pháp này cung cấp cho chúng ta những thông tin về:
• Phân biệt các nhiệt độ đặc trưng
• Hành vi kết tinh và nóng chảy của vật liệu
• Nhiệt độ kết tinh và nóng chẩy
Từ những thông tin về vì trí, số liệu, hình dạng của các đường nhiệt ta có thế xác định được thành phần khối lượng của mẫu đo.
Hoạt động và phân tích kết quả
Đề tài nghiên cứu khoa học
Khi các mẫu được đặt vào vị trí đo, chúng ta tiến hành đo bằng cách đặt hệ đo ở chế độ thay đổi nhiệt độ 5oC trong 1 phút Sự thay đổi nhiệt độ bên trong các mẫu được xác định bởi các cặp nhiệt điện, với độ chênh lệch nhiệt độ giữa các cặp sinh ra một điện áp Do điện áp này thường rất nhỏ, cần phải khuếch đại trước khi hiển thị kết quả lên màn hình Trong trường hợp này, điện áp và độ chênh lệch nhiệt độ có vai trò tương tự nhau.
Một đường cong DTA đơn giản bao gồm các thành phần tuyến tính nhỏ, trong đó nhiệt dung và độ dẫn nhiệt của mẫu nghiên cứu có thể tương đồng với mẫu chuẩn ở một khoảng nhiệt độ nhất định.
Các đỉnh trong quá trình toả hoặc thu nhiệt gây ra những thay đổi hóa học và vật lý trong mẫu đo Diện tích dưới hoặc trên các đỉnh cung cấp thông tin về năng lượng liên quan đến các quá trình diễn ra trong mẫu Khi đỉnh ứng với nhiệt độ chuyển pha dương, mẫu đang toả nhiệt, ngược lại, mẫu thu nhiệt Đặc biệt, nhiệt độ chuyển pha không thay đổi khi kích thước mẫu thay đổi Hình dạng của đỉnh DTA phụ thuộc vào trọng lượng mẫu và tốc độ thay đổi nhiệt, với việc giảm tốc độ thay đổi nhiệt hoặc khối lượng mẫu dẫn đến các đỉnh nhọn hơn.
Phân tích này liên quan đến đất sét, với tốc độ thay đổi nhiệt độ là c/ phút Đồ thị cho thấy trục tung được biểu diễn bằng các mức điện áp khác nhau.
Kết quả phân tích mẫu cho thấy tại điểm c, điện áp âm biểu thị mẫu đang thu nhiệt do nước bắt đầu bay hơi, cần nhiều năng lượng cho quá trình này Gần điểm c, xuất hiện đỉnh dương cho thấy mẫu toả nhiệt, liên quan đến quá trình ôxy hoá các chất hữu cơ Khi nhiệt độ tăng đến khoảng c, chuyển đổi thạch anh Anpha-Beta xảy ra, thể hiện sự hấp thụ nhiệt của mẫu Tại điểm c, cấu trúc đất sét cuối cùng bị gãy, và khi nhiệt độ tiếp tục tăng đến cỡ c, quá trình tái kết tinh oxit diễn ra, khiến mẫu giải phóng nhiệt.
Quá trình chuyên pha nóng chảy:
• Hiệu ứng nóng chảy thu nhiệt
• Quá trình nóng chảy của chất tinh khiết vô biến (T =0)
• Quá trình nóng chảy của dung dịch rắn là nhất biến (T = 1), nhiệt độ nóng chảy phụ thuộc vào thành phần dung dịch rắn
• Quá trình nóng chảy của hỗn hợp cơ học kết tinh từ pha lỏng gồm hai giai đoạn:
-Nóng chảy của hỗn hợp ơtecti (T = 0)
-Nóng chảy của chất còn lại (T = 1)
• Sự Nóng chảy là quá trình thuận nghịch nên trên đường cong Đề tài nghiên cứu khoa học
13 | P a g e nguội lạnh xuất hiện pic phát nhiệt
• Hiệu ứng nóng chảy hầu như không phụ thuộc áp suất ngoài
Cần lèn chặt mẫu hay lấy khối lượng mẫu nhỏ đế tránh hiện tượng nóng chảy cục bộ thành chén Đề tài nghiên cứu khoa học
Quá trình chuyến pha sôi, thăng hoa và bay hơi:
Các quá trình này có hiệu ứng thu nhiệt lớn hơn nhiêu so với các quá trình nóng chảy, chuyên đa hình
Có kèm theo sự giảm khối lượng
Bất thuận nghịch trên đường DTA: không có hiệu ứng toả nhiệt trên đường nguội lạnh
Các chất dễ bay hơi bắt đấu hiệu ứng thu nhiệt ở nhiệt độ thấp hơn nhiệt độ sôi, pic giãn rộng
Các chất khó bay hơi khác có pic nhọn, gọn, nhiệt độ trùng nhiệt độ sôi
Các hiệu ứng này phụ thuộc mạnh vào áp suất ngoài
- Mầu cấp hạt lớn: pic tù, rộng
- Mầu cấp hạt nhỏ: pic nhọn, hẹp Đề tài nghiên cứu khoa học
Quá trình chuyển pha đa hình:
Chuyến pha đa hình thuận nghịch:
Đường đốt nóng có pic thu nhiệt và đường làm nguội có pic phát nhiệt
Tốc độ chuyển pha nhanh có thể xảy ra trong trường hợp không có sự thay đổi số phối trí trong các đa hình, mặc dù hiệu ứng nhiệt vẫn nhỏ Chẳng hạn, quá trình chuyển pha từ a-Quartz sang p-Quartz là một ví dụ điển hình cho hiện tượng này.
Tốc độ chuyến pha chậm trong trường hợp có sự thay đối số phối trí trong các đa hình Đề tài nghiên cứu khoa học
Chuyến pha đa hình bất thuận nghịch:
Không có hiệu ứng chuyển pha trên đường làm nguội
Trên DTA & DSC có hiệu ứng tỏa nhiệt do đa hình không bền chuyển thành đa hình bền
Qúa trình có bậc tự do bằng 1 do có một pha không bền, nên nhiệt độ bắt đầu chuyển pha thay đồi phụ thuộc vào tốc độ nâng nhiệt
Chỉ có thể phát hiện được hiệu ứng chuyến nhiệt khi tốc độ nâng nhiệt đủ nhanh
Một số dạng đa hình không bền nhiệt khi được đốt nóng sẽ không chuyển đổi thành dạng đa hình bền Mỗi dạng đa hình này có nhiệt độ nóng chảy riêng biệt.
Ví dụ: (C6H5)2CO t°nc của oc-benzophenon (bền) 48,1 °c t°nc của p- benzophenon (không bền) ở 26°c
Quá trình chuyến pha từ trạng thái vô định hình thành trạng thái tinh thế:
• Hiệu ứng phát nhiệt lớn
• Các chất vô định hình có hoạt tính xúc tác, hập phụ càng cao thì có hiệu ứng phát nhiệt càng lớn
Nhiều hydroxyt và hợp chất hydrat khi phân hủy tạo ra chất vô định hình, sau đó chuyển thành tinh thể Điều này được thể hiện rõ trên giản đồ trong các nghiên cứu khoa học.
DTA sau hiệu ứng phân hủy thu nhiệt là hiệu ứng phát nhiệt chuyển từ vô định hình thành tinh thể
Quá trình chuyến pha từ trạng thái thủy tinh thành trạng thái tinh thế:
• Thủy tinh là chất lỏng hóa rắn
• Sự chuyến thủy tính thành tinh thế có hiệu ứng toả nhiệt khá lớn
• Nhiệt tỏa ra bằng nhiệt thu vào của hiệu ứng nóng chảy từ dạng tinh thế
• Hiệu ứng chuyển thủy tinh thành tinh thế diễn ra ở nhiệt độ gần với nhiệt độ nóng chảy. Đề tài nghiên cứu khoa học
Quá trình chuyến pha lớn lên của tinh thế:
Các tinh thể kim loại có kích thước từ 10^6 đến 10^3 cm cho thấy hiệu ứng tỏa nhiệt khi kích thước phát triển và mạng tinh thể được ổn định khi được đun nóng.
Tính xúc tác và hấp phụ của các chất gắn với kích thước tinh thế và sự ổn định cấu trúc tinh thế
Sử dụng DTA khảo sát hoạt tính xúc tác của các tinh thể nhỏ (đặc biệt kim loại) rất hiệu quả và thuận tiện
Quá trình chuyến pha phân hủy của dung dịch rắn không bền:
Các kim loại thường tạo với nhau nhiều loại dung dịch rắn
Khi làm lạnh hệ nhanh, nhiều dung dịch rắn nằm trong trạng thái giả bền
Quá trình phân hủy của dung dịch rắn không bền kèm hiệu ứng phát nhiệt
Một số dung dịch rắn không bền phân hủy dần dần ngay nhiệt độ phòng
Một số dung dịch rắn không bền chỉ phân hủy khi bị đun nóng Đề tài nghiên cứu khoa học
Phương pháp nhiệt trọng lượng
Khái niệm
Phương pháp phân tích này dựa trên sự thay đổi khối lượng của mẫu khi nhiệt độ thay đổi Khi vật chất được nung nóng, khối lượng của chúng có thể giảm do bay hơi hoặc các phản ứng hóa học giải phóng khí Ngoài ra, một số vật liệu có thể tăng khối lượng khi phản ứng với không khí trong môi trường kiểm tra.
Phương pháp phân tích nhiệt cho biết nhiệt độ khởi đầu của quá trình phân hủy, nhiệt độ tối đa (Tmax) tại đó mẫu phân hủy mạnh nhất, cũng như nhiệt độ mà ở đó mẫu bị phân hủy 10% và 50% Điều kiện phân tích nhiệt của các mẫu được thiết lập rõ ràng trong đề tài nghiên cứu khoa học.
- Tốc độ nâng nhiệt độ: 10 0 C/phút
- Môi trường khảo sát: không khí
+ Vật liệu nanocompozit: Từ nhiệt độ môi trường đến 700 0 C
+ Clay và clay biến tính: Từ nhiệt độ môi trường đến 900 0 C Đề tài nghiên cứu khoa học
Hình 3.7 trình bày giản đồ TGA của clay và clay-APS Kết quả cho thấy, từ nhiệt độ phòng đến 200 °C, có hiện tượng mất trọng lượng nhẹ khoảng 4-6%, phản ánh quá trình mất nước vật lý.
Trong khoảng nhiệt độ 200 đến 600 độ C, clay không có hiện tượng mất trọng lượng, cho thấy tính bền vững của nó trong dải nhiệt độ này Ngược lại, mẫu clay-APS mất khoảng 6% trọng lượng do quá trình phân huỷ của APS trong clay-APS.
Khi nhiệt độ tăng từ 600 °C lên 900 °C, clay và clay-APS mất khoảng 2% trọng lượng, có thể do quá trình mất nhóm -OH của clay và nhóm -OH còn lại của clay-APS Giản đồ TGA ở hình 3.7 cho thấy khoảng 6% APS đã được ghép vào clay.
Giản đồ TGA của clay-VTMS cho thấy rằng trong khoảng nhiệt độ phòng đến 200°C, clay-VTMS mất khoảng 7% trọng lượng do quá trình mất nước Từ 200-500°C, clay không có hiện tượng mất trọng lượng, chứng tỏ độ bền của clay trong khoảng nhiệt độ này Ngược lại, mẫu clay-VTMS cho thấy sự mất trọng lượng do phân huỷ của VTMS gắn vào clay Khi nhiệt độ tăng lên 900°C, clay mất khoảng 2,6% trọng lượng, trong khi clay-VTMS mất khoảng 4,2% Dữ liệu này chỉ ra rằng khoảng 2% VTMS đã được gắn vào clay.
Phân tích nhiệt- TGA
Khảo sát sự thay đổi các điểm phân tích trên phổ TGA của mẫu PE và vật liệu compozit PE/clay cho thấy sự tương thích giữa PE và clay Khi có sự tương tác tốt giữa PE và chất gia cường clay, các đặc trưng phân tích nhiệt trọng lượng của vật liệu tăng lên so với PE ban đầu.
PE và clay kém, độ bền nhiệt của vật liệu không thay đổi hoặc có thể bị giảm xuống Đề tài nghiên cứu khoa học
Kết quả khảo sát phân tích TGA của mẫu PE/3% clay cho thấy độ bền nhiệt của vật liệu compozit không khác biệt nhiều so với PE ban đầu Điều này chỉ ra rằng sự tương tác giữa PE và clay là kém, dẫn đến sự thay đổi không đáng kể về độ bền nhiệt khi có mặt của clay.
Phân tích nhiệt trọng lượng-TGA
Cấu trúc lớp của clay mang lại tính chất che chắn và tăng cường độ bền nhiệt cho vật liệu nanocompozit Tuy nhiên, khi sử dụng khoáng sét biến tính bằng muối ankyl amonium, sự hiện diện của các cation này có thể dẫn đến phân hủy nhiệt theo cơ chế Hofman Do đó, việc xác định hàm lượng clay phù hợp là rất quan trọng trong nghiên cứu khoa học.
Việc cải thiện độ bền nhiệt của vật liệu phụ thuộc vào sự phù hợp của các chất biến tính Nếu không phù hợp, cơ chế phân hủy nhiệt trong đất sét sẽ chiếm ưu thế, dẫn đến giảm độ bền nhiệt Tuy nhiên, các hợp chất silan với cấu trúc liên kết Si-O-Si bền nhiệt có khả năng biến tính đất sét mà không làm giảm độ bền nhiệt của vật liệu.
Các đặc trưng phân tích TGA thường được ghi nhận bao gồm nhiệt độ bắt đầu phân huỷ (T onset) và nhiệt độ tại đó tốc độ phân huỷ của mẫu đạt mức cao nhất (Tmax).
Bảng 3.11 cung cấp các đặc trưng phân tích TGA của PE, bao gồm các thông số quan trọng như Tonset (nhiệt độ bắt đầu mất khối lượng), T-10% (nhiệt độ mất 10% khối lượng), T-50% (nhiệt độ mất 50% khối lượng) và Tmax (nhiệt độ tại đó mẫu có tốc độ mất khối lượng nhanh nhất) Những thông số này đóng vai trò quan trọng trong nghiên cứu khoa học về tính chất nhiệt của vật liệu.
PE/3%clay-APS và vật liệu nanocompozit PE/PE-g-AM/3%clay-APS với các tỷ lệ hàm lượng PE/PE-g-AM là 100/0; 95/5; 90/10 và 85/15
Kết quả từ bảng 3.11 cho thấy sự hiện diện của clay biến tính đã cải thiện độ bền nhiệt của vật liệu Đặc biệt, khi thêm chất tương hợp PE-g-AM với hàm lượng 5% và 10%, độ bền nhiệt của vật liệu tiếp tục tăng lên.
Khi hàm lượng PE-g-AM thấp, cơ chế che chắn giúp tăng độ bền nhiệt của vật liệu Tuy nhiên, khi hàm lượng PE-g-AM vượt quá 10%, cơ chế phân hủy nhiệt trở nên chiếm ưu thế, dẫn đến sự giảm độ bền nhiệt của vật liệu.
So sánh các số liệu phân tích TGA đặc trưng của polyme nền
PE, vật liệu compozit PE/2%clay-VTMS, vật liệu nanocompozit
Kết quả nghiên cứu cho thấy, khi thêm 2% clay-VTMS vào PE với hàm lượng từ 0,1-0,3%, độ bền nhiệt của vật liệu tăng lên so với PE ban đầu Tuy nhiên, sự mất khối lượng của mẫu trong khoảng nhiệt độ 200-450°C lại cao hơn 2% so với PE ban đầu, cho thấy liên kết giữa clay-VTMS và polyme nền không đạt hiệu quả tốt.
Vật liệu nanocompozit PE/2% clay-VTMS/DCP cho thấy sự cải thiện rõ rệt về độ bền nhiệt khi hàm lượng DCP tăng từ 0,1% lên 0,3% Tính chất cơ học của vật liệu cũng chỉ ra rằng hàm lượng 0,2% DCP là tối ưu để ghép clay-VTMS lên PE.
Quét nhiệt visai
Cơ sở của phương pháp
DSC, hay phân tích nhiệt vi sai, là phương pháp duy trì độ chênh lệch nhiệt độ ΔT giữa mẫu chuẩn và mẫu nghiên cứu ở mức 0 Thay vì đo trực tiếp nhiệt độ, phương pháp này xác định entanpy của các quá trình bằng cách đo lưu lượng nhiệt vi sai cần thiết để giữ cho mẫu vật liệu và mẫu chuẩn ở cùng một nhiệt độ Nhiệt độ thường được lập trình để quét trong một khoảng nhất định bằng cách tăng tuyến tính với tốc độ đã định trước Năng lượng được xác định thông qua diện tích dưới đồ thị thu được trong quá trình phân tích.
T o o Đề tài nghiên cứu khoa học
Hệ số giãn nở nhiệt 0.2 o C/m Độ nhạy 0,01mV/cm
Tính năng của phương pháp
Phương pháp DSC cung cấp thông tin quan trọng về sự chuyển pha của vật chất, được ưa chuộng trong các nghiên cứu chuyển pha nhờ khả năng cung cấp dữ liệu trực tiếp về năng lượng chuyển pha.
Dụng cụ này được sử dụng để xác định nhiệt dung, độ phát xạ nhiệt và độ tinh khiết của mẫu rắn Kỹ thuật đo nhiệt lượng vi sai DSC cho phép nghiên cứu các tính chất của polymer khi nhiệt độ thay đổi, đồng thời đo được các hiện tượng chuyển pha như nóng chảy, kết tinh, thủy tinh hóa và nhiệt của phản ứng hóa học trong polymer.
Thiết bị đo
Sơ đồ cung cấp nhiệt của DSC loại thông lượng nhiệt (a) và bổ chính công suất (b)
Đề tài nghiên cứu khoa học
Khi xảy ra sự chuyển pha, năng lượng sẽ được thêm vào hoặc mất đi trong mẫu nghiên cứu để duy trì sự cân bằng nhiệt độ Giá trị năng lượng đưa vào tương ứng chính xác với năng lượng hấp thụ hoặc giải phóng trong quá trình chuyển pha Năng lượng cân bằng này được ghi lại, cung cấp kết quả đo trực tiếp cho năng lượng chuyển pha.
Hoạt động và phân tích kết quả
Sau khi đặt mẫu vào lò, nhiệt độ của các lò được tăng dần Sự khác biệt về công suất lò được đo liên tục bằng detector vi sai công suất, với tín hiệu được khuếch đại và gửi đến bộ phận ghi dữ liệu.
Phép phân tích DSC thông thường cho thấy các đường cong biến đổi quanh trục nhiệt đồ, với các đỉnh thu nhiệt và tỏa nhiệt phản ánh các quá trình chuyển pha của mẫu Bài viết sẽ phân tích một ví dụ cụ thể để xác định các điểm chuyển pha của polymer.
Trên đường cong phân tích nhiệt, có ba điểm quan trọng cần lưu ý: Tg (nhiệt độ chuyển pha thủy tinh), Tc (nhiệt độ kết tinh) và Tm (nhiệt độ tan) của mẫu Những nhiệt độ này đóng vai trò quan trọng trong nghiên cứu khoa học về vật liệu.
Khi nhiệt độ chưa cao, chưa có sự chuyển pha ở polymer
Khi hệ đo bắt đầu tăng nhiệt độ, hệ thống ghi sẽ ghi lại sự khác biệt về nhiệt lượng giữa hai lò cung cấp, cho thấy lượng nhiệt mà polymer đã hấp thụ.
Tiếp tục tăng nhiệt độ, đến một nhiệt độ nào đó, ta sẽ thu được đường cong ứng với chuyển pha thủy tinh
Khi nhiệt dung của mẫu polymer tăng, dòng nhiệt sẽ đột ngột tăng lên, dẫn đến sự chuyển pha làm giảm trật tự của các sợi polymer Sự thay đổi này ảnh hưởng đến các tính chất vật lý của polymer, khiến nó chuyển từ trạng thái giòn như kính sang trạng thái mềm dẻo và có tính đàn hồi Qua việc xác định các đặc tính này, chúng ta có thể xác định dải nhiệt độ tối ưu cho việc sử dụng polymer, như nhiệt độ thích hợp để các phản ứng hóa học liên quan đến polymer diễn ra hiệu quả hơn.
Quá trình chuyển pha thủy tinh diễn ra trong một dải nhiệt độ chứ không xảy ra đột ngột Do đó, điểm chính giữa của đoạn dốc thường được chọn làm vị trí của nhiệt độ chuyển pha.
Khi nhiệt độ tiếp tục tăng, độ linh động của các sợi polymer cũng gia tăng Chúng dao động liên tục cho đến khi đạt đến một mức nhiệt độ nhất định, tại đó các sợi polymer nhận đủ năng lượng để chuyển đến các vị trí ổn định, dẫn đến quá trình kết tinh.
Khi các sợi polymer được sắp xếp theo dạng tinh thể, chúng giải phóng nhiệt, tạo ra một đoạn đồ thị lõm xuống Điểm nhiệt độ tại vị trí thấp nhất của phần lõm được xem là điểm kết tinh của polymer Diện tích của phần lõm này có thể xác định, từ đó cung cấp thông tin về ẩn nhiệt của quá trình kết tinh Nếu polymer hoàn toàn vô định hình, đường cong này sẽ không xuất hiện, vì loại vật liệu này không bao giờ kết tinh.
Khi nhiệt độ mẫu polymer tiếp tục tăng sau điểm kết tinh, sẽ xảy ra một trạng thái chuyển pha mới, đó là quá trình tan chảy của polymer Nghiên cứu này tập trung vào các hiện tượng chuyển pha trong vật liệu polymer.
Khi polymer đạt đến nhiệt độ nóng chảy, các tinh thể polymer bắt đầu tan ra thành các mảng riêng biệt, với các sợi polymer chuyển động tự do từ các vị trí sắp xếp có trật tự Quá trình tan chảy này yêu cầu hấp thụ nhiệt lượng tương đương với quá trình kết tinh, nhưng khác biệt ở chỗ tinh thể polymer cần nhiệt để thực hiện quá trình này.
Khi polymer đạt đến điểm nhiệt độ tan, nhiệt độ sẽ không tăng cho đến khi toàn bộ polymer tan chảy Trong quá trình này, lò nhiệt cần cung cấp đủ nhiệt để vừa hỗ trợ quá trình tan của tinh thể, vừa duy trì tốc độ tăng nhiệt độ giống như lò mẫu chuẩn Do đó, đây là quá trình thu nhiệt của polymer.
Phương pháp DSC (Differential Scanning Calorimetry) cho phép xác định số lượng polymer tinh thể trong mẫu chứa cả polymer tinh thể và polymer vô định hình, khi biết ẩn nhiệt ΔHm của quá trình tan chảy Đây là một phương pháp tiện lợi để đánh giá chất lượng của các loại polymer Nghiên cứu này góp phần vào việc phát triển khoa học trong lĩnh vực vật liệu polymer.