梅特勒托利多：热分析技术为CMF设计“保驾护航”
热分析助力CMF行业发展
关键词：CMF 研发设计 热分析技术
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何为CMF？
全称为Color Material Finishing，是利用材料的一些特性来为产品设计增添色彩，在这个过程中制造商既需要考虑材料成型前的加工工艺，如合适的固化、注塑温度，也需要考虑材料成型后的力学和热学性能如耐高温性、热膨胀性等，在这些产品的研发设计过程中，都离不开热分析设备对于材料热物性数据的支持。
我们目前常见的用于CMF设计的材料可分为基材类和涂层类，部分示例如下图所示：
梅特勒托利多热分析超越系列
传统的热分析技术发展到今天，主要分为这四大类，分别是差示扫描量热仪DSC，热重分析仪TGA，静态热机械分析仪TMA和动态热机械分析仪DMA系列，图4是梅特勒托利多的热分析超越系列，我们有近60年的热分析设备从业经历，产品线已十分成熟，可满足各类热物性的测试需求。
图4 梅特勒托利多超越系列热分析系统
篇幅所限，在这里向大家简要介绍一下梅特勒托利多热分析的部分产品设计理念，对其他设备有兴趣的话欢迎去我们的官方网站（www.mt.com）继续调研。
对于一台DSC来说，传感器绝对是它的核心，一台仪器的好坏很大程度上都是有传感器决定的，所以我们要求传感器要具有高灵敏度，高分辨率，以及强耐用性才行。FRS(Full Range Sensor)5+有56对热电偶，具有高灵敏度和温度分辨率，陶瓷表面使它坚固耐用和耐化学腐蚀，创新的星形排列热电偶分布在样品坩埚和参比坩埚四周，完全能补偿任何可能的温度梯度，从而确保了平坦的基线和可重复的测量结果。
图5右是我们的TGA/DSC3+炉体内部（TGA同结构），我们将炉体设计为水平，主要是为了降低浮力效应对天平称重的影响，天平实际称重是重力减去气氛浮力后的，升温过程中浮力会发生变化，水平设计可以将影响最小化，同时也避免了样品升温过程中的相态变化导致在坩埚内位置改变影响天平的测量准确度。
图5.FRS5+ Sensor &TGA-DSC 炉体结构
CMF行业中的热分析案例分享
DSC:
DSC（差示扫描量热仪）测量样品位和参比位的热流差以读取样品在特定温度程序下的吸放热效应。下图这个案例是通过DSC测试KCLO4的晶型转变过程，其实对于可逆的变温涂料来说，其本质是有色化合物的晶型或相转变过程。我们的DSC还可以选配显微装置去实时观察晶型转变过程中所发生的样品的相态及颜色的变化去进一步明确吸放曲线的吸放热效应所对应的实际情况。
图6.DSC测试KClO4的可逆α-β晶型转变温度范围/可逆温变涂料应用场景
图7.热固性树脂的固化反应转化率
同时我们可以也利用DSC去测试上文提到的热固性树脂的固化度和Tg温度以判定已成型加工的产品在现有成型工艺下是否可以以达到使用标准。如图7所示，某常见的树脂配方在一次升温时Tg为-17.29℃，在经过一个升温程序的完整固化后，二次升温曲线上Tg已增加至155.55℃，证明固化度直接关系样品的Tg温度的高低，进一步通过积分面积的计算我们也可以确定在不同温度时的转化率大小。我们也可以利用动力学分析软件去拟合在不同温度下固化时的转化率随时间变化曲线以辅助我们进行工艺控制和预测。
TGA：
TGA可以测试样品升温过程中的质量变化，为了改善聚合物的性能我们经常会在其中添加一些不同的填料，这里我们就可以使用TGA热重分析仪来对复合材料中的组分进行分析。
下图是碳纤维预浸渍材料及其TGA测试曲线，这是一种使用非常广泛的复合材料，其中碳纤维的含量直接影响了最终产品的机械性能。而碳纤维又是浸渍于树脂基体材料中，很难单独分离出来，因此很难对碳纤维含量进行测定，而TGA可以利用碳纤维和基体材料燃烧行为的差别对其进行精确的含量测定。这张图是碳纤维预浸渍材料的测试曲线，首先在氮气气氛下将碳纤维预浸渍材料加热至700摄氏度，使环氧树脂基体材料产生热分解，从TGA曲线上350度到450度左右范围内可以看到明显的失重台阶。这时并不能像上一张图那样直接切换成空气，因为热解产生的炭黑和碳纤维都会在空气气氛下燃烧掉而无发分离开。在这个实验中，将样品在氮气气氛下加热到700度以后，我们仍就保持在氮气气氛下，将温度从700度降至200度，然后再切换成空气气氛，从200度加热到1000度。由于环氧树脂热分解形成的炭黑比较松散，比表面积比较大，因此更容易燃烧，会在较低的温度下首先发生燃烧，而碳纤维更为致密，比表面积也比较小，要到较高的温度下才开始燃烧，于是不同类型的碳就产生了顺序燃烧。在这张图中可以看到，从200度到600度范围内有大约7.1%左右的炭黑燃烧失重，而600度到1000度范围内有大约62%左右的碳纤维燃烧失重，从DTG曲线上可以非常容易的看出失重台阶的分离效果。所以在热解过程中产生的炭黑和碳纤维填料就能够分离开了，从而精确的测定预浸渍材料中碳纤维的含量。
图8.TGA测试碳纤维预浸材料的碳纤维含量/材料用于汽车装饰件展示图
TMA：
TMA（热机械分析仪）测试样品在特定温度程序和应力下的尺寸变化，下图的案例就是一个记忆金属的典型TMA测试曲线，记忆金属是一种特殊的合金材料，主要以镍钛合金为主，可以在一定温度下像塑料一样发生塑性形变，但在某种温度又可恢复原状，具备一定“记忆能力”。当该材料在低温下变形后，再加热到较高温度，逆转变为高温相时，变形可完全消失，并回复到变形前高温相状态下的形状。
图9. TMA测试记忆金属相变过程及记忆金属相变实物图展示
总结
- 对于某些特殊的CMF设计用材料，其热性能在设计中非常重要，诸如变温涂料、记忆金属等;
- 热分析设备可以为CMF产品设计所需材料的各类热物性数据提供测试支持;
-梅特勒托利多热分析产品设计独特，性能优异，丰富的解决方案满足各类实验需求。
后续如果大家想要更进一步了解我们梅特勒托利多热分析技术，可以关注微信公众号，随时和我们联系，另外梅特勒托利多的热分析技术专家也编撰出版了一系列热分析书籍，大家也可以购买翻阅，我们也会定期出版用户手册来更新热分析在各个行业的相关应用，召开线上/线下的技术分享会与大家共同学习进步。目前梅特勒托利多在北京、上海、广州拥有展示LAB，欢迎来线下进行技术交流和设备考察。
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