5.2.1. Khái quát:
Phân tích nhiệt bao gồm các phương pháp phân tích dựa theo sự thay đổi các tính chất vật lý và hóa học của vật liệu được khảo sát trong sự thay đổi cưỡng bức và định trước của nhiệt độ. Trong phân tích nhiệt có nhiều phương pháp cụ thể: đo nhiệt lượng vi sai (Differential Thermal Scanning
Calorimetry – DSC), phân tích nhiệt vi sai (Differential Thermal Analysis – DTA), phân tích nhiệt trọng lượng (Thermogravimemetry Analysis – TGA)…
5.2.2. Nhiệt lượng vi sai – DSC:
Khi vật liệu có sự thay đổi về trạng thái vật lý như nóng chảy, sự chuyển đổi từ trạng thái thủy tinh sang trạng thái khác hay khi nó có phản ứng hóa học. Nhiệt lượng sẽ được hấp thụ hay giải phóng. Những quá trình như thế có thể được khởi đầu một cách đơn giản bởi sự gia tăng nhiệt độ của vật liệu. Các máy đo nhiệt lượng quét vi sai được thiết kế để xác định entanpy của các quá trình này bằng cách xác định lưu lượng nhiệt vi sai cần để duy trì mẫu vật liệu và mẫu chuẩn trơ ở cùng nhiệt độ. Nhiệt độ này thường được lập trình để quét một khoảng nhiệt độ bằng cách tăng tuyến tính ở một tốc độ định trước.
Dụng cụ cũng có thể được dùng để xác định nhiệt dung, độ phát xạ nhiệt và độ tinh khiết của mẫu rắn. Đo nhiệt lượng vi sai DSC là kỹ thuật nghiên cứu các tính chất của polymer khi ta thay đổi nhiệt độ tác dụng. Với DSC có thể đo được các hiện tượng chuyển pha: nóng chảy, kết tinh, thủy tinh hóa hay nhiệt của phản ứng hóa học của polymer
Thí dụ
5.2.3. Phân tích nhiệt trọng lượng TG-TGA:
TG là một bàn cân chính xác cho phép ta đo liên tục biến thiên trọng lượng mẫu theo nhiệt độ và thời gian. Từ đó có thể xác định độ giảm khối lượng của mẫu khi tăng nhiệt độ và nhiệt độ phá hủy mẫu. Cấu tạo của TG gồm có cân tự động, buồng đốt, cảm biến nhiệt độ và máy tính. Mẫu được đặt vào buồng đốt, nhiệt độ buồng đốt được đặt theo chương trình từ thấp đến cao theo thời gian, cân tự động chính xác ghi nhận giảm trọng lượng mẫu trong quá trình thí nghiệm.
Phương pháp phân tích cơ nhiệt động lực học (Dynamic Mechanical Thermal Analysis – DMTA) là một kỹ thuật và cũng là một dụng cụ cho phép kiểm tra ứng xử của các vật liệu đàn – nhớt theo nhiệt độ và tần số phụ thuộc. Một biến dạng nhỏ xuất hiện trong vật liệu khi áp đặt lên vật liệu một ứng suất. Kết quả biến dạng do ứng suất tác động phản ánh những thông tin về module của vật liệu, độ cứng và các đặc tính “thấm ướt” (damping) của nó. Các tính chất này có thể liên quan đến tiêu chuẩn sử dụng cuối cùng của vật liệu cần thiết cho việc quản lý chất lượng, phát triển sản phẩm, giải quyết vấn đề và nghiên cứu ứng dụng.
DMTA xem xét các vật liệu mà có sự kết hợp của cả hai cách ứng xử đàn hồi và chảy nhớt hay gọi là các vật liệu đàn nhớt. Trong ứng xử đàn nhớt, một ứng suất hay biến dạng áp đặt vào sẽ tạo ra một đáp ứng hơi trễ gây ra do các thành phần nhớt của vật liệu, bản chất giống chất lỏng của nó, và lại thêm vật liệu có bản chất giống chất rắn, do đó cũng có một đáp ứng đàn hồi. DMTA tách hai đáp ứng trên thành các giá trị module riêng biệt: Module tồn trữ hay module đàn hồi (ký hiệu E’) và Module tổn hao (ký hiệu E’’).
Module tồn trữ E’ đại diện cho các thành phần đàn hồi của ứng xử đàn nhớt đồng pha với độ biến
dạng được áp đặt vào (τ = τo cosδ)
Module tổn hao E” đại diện cho các thành phần nhớt, lại lệch pha với các tín hiệu đầu vào (τ =
τocosδ).
Toàn bộ chậm trễ của hệ thống từ tín hiệu đầu vào là một góc pha (δ). Tang của góc pha (tan
delta) là tỷ số của module tổn hao trên module tồn trữ (tangδ = E’’/E’) và là giá trị chỉ ra khả năng
tổn hao năng lượng tương đối của vật liệu. Tan delta thường được gọi là Tang tổn hao.
Bất kỳ một đỉnh nào trong tan delta (đặc biệt là thể hiện rõ trong vùng nhiệt độ nghiên cứu) tương
ứng với một vùng mà tính chất vật liệu thay đổi rất nhanh, thì tức là vật liệu đang trải qua một quá
trình chuyển tiếp. Trong nghiên cứu tần số phụ thuộc, một đỉnh trong tan delta cho thấy rằng vật liệu làm tiêu tán ứng suất đầu vào rất tốt ở tần số đó.
DMTA kiểm tra vật liệu trong một vùng mà đáp ứng đàn nhớt là tuyến tính. Nói một cách khác, nơi mà tỷ số của ứng suất trên biến dạng là một hằng số của module, E hoặc G. Module phải độc lập với biến dạng điều khiển. Nếu không, vật liệu sẽ bắt đầu biến dạng dẻo, điều này cho thấy rằng một biến dạng tới hạn đã đạt được. Qua vùng biến dạng tới hạn này, vật liệu sẽ bị thay đổi tính chất và phương trình được sử dụng để đánh giá sự đáp ứng không còn áp dụng được nữa.
Việc xác định vùng đàn nhớt tuyến tính là mục đích của cuộc kiểm tra. Nói chung, cần thiết phải tạo ra đường cong biến dạng trên các vật liệu chưa biết để xác định biến dạng tới hạn. Vẽ đồ thị
ứng suất đối với biến dạng và tìm độ lệch từ đường thẳng tuyến tính hoặc vẽ đồ thị module tồn
trữ tương ứng với biến dạng.