TOPLINSKA ANALIZA - unizg.hr...3 “Ova supstancija,što god to bilo,uzrokom je topline,drugim...
Transcript of TOPLINSKA ANALIZA - unizg.hr...3 “Ova supstancija,što god to bilo,uzrokom je topline,drugim...
![Page 1: TOPLINSKA ANALIZA - unizg.hr...3 “Ova supstancija,što god to bilo,uzrokom je topline,drugim riječima,osjećaj koji nazivamo toplina uzrokovan je akumulacijom ove supstancije, međutim](https://reader033.fdocuments.in/reader033/viewer/2022041516/5e2b2d7869926727f12298e9/html5/thumbnails/1.jpg)
1
TOPLINSKA ANALIZA
Dr.sc.Emi Govorčin Bajsić,red.prof.
Zavod za polimerno inženjerstvo i organsku kemijsku tehnologiju
Karakterizacija materijala
![Page 2: TOPLINSKA ANALIZA - unizg.hr...3 “Ova supstancija,što god to bilo,uzrokom je topline,drugim riječima,osjećaj koji nazivamo toplina uzrokovan je akumulacijom ove supstancije, međutim](https://reader033.fdocuments.in/reader033/viewer/2022041516/5e2b2d7869926727f12298e9/html5/thumbnails/2.jpg)
2
Molecules are friendly,willing to communicate; all you need to do is
Listen!!!
Prof. Christopher Y.Li
![Page 3: TOPLINSKA ANALIZA - unizg.hr...3 “Ova supstancija,što god to bilo,uzrokom je topline,drugim riječima,osjećaj koji nazivamo toplina uzrokovan je akumulacijom ove supstancije, međutim](https://reader033.fdocuments.in/reader033/viewer/2022041516/5e2b2d7869926727f12298e9/html5/thumbnails/3.jpg)
3
“Ova supstancija,što god to bilo,uzrokom je topline,drugim riječima,osjećaj koji nazivamo toplina uzrokovan je akumulacijom ove supstancije, međutim ne možemo to jasno definirati toplinom, jer će isto ime neprikladno izražavati oboje uzrok i utjecaj.”
![Page 4: TOPLINSKA ANALIZA - unizg.hr...3 “Ova supstancija,što god to bilo,uzrokom je topline,drugim riječima,osjećaj koji nazivamo toplina uzrokovan je akumulacijom ove supstancije, međutim](https://reader033.fdocuments.in/reader033/viewer/2022041516/5e2b2d7869926727f12298e9/html5/thumbnails/4.jpg)
4
Toplina: oblik energije - proporcionalna je kinetičkoj energiji gibanja molekula (premještanje ,rotacija i vibracija molekula)
Toplina može spontano prijeći s toplijeg tijela na hladnije radijacijom, kondukcijom ili konvekcijom
Jedinica:J (m2kgs-2 ) , 1cal=4.184J
dQ=dU+pdV
Q-toplina, U-zaostala energija, p-tlak, V-volumen
H= U+pV H-entalpija
Cp= dQ/dT = (∂H / ∂T) p,n
Temperatura: parametar topline
![Page 5: TOPLINSKA ANALIZA - unizg.hr...3 “Ova supstancija,što god to bilo,uzrokom je topline,drugim riječima,osjećaj koji nazivamo toplina uzrokovan je akumulacijom ove supstancije, međutim](https://reader033.fdocuments.in/reader033/viewer/2022041516/5e2b2d7869926727f12298e9/html5/thumbnails/5.jpg)
5
Materijali
Važnost svojstava materijala
• Dobro određena svojstva materijala važna su za njegovu primjenu
Svojstva materijala
toplinska
mehanička
kemijska
električna
Toplinska svojstva materijala:odgovor materijala na primijenjenu toplinu
•Dobro definirana svojstva omogućavaju nam odgovor na pitanja kao
•Kako materijali mijenjaju strukturu zagrijavanjem?
•Kako prenose toplinu?
•Kako se mijenja njihova temperatura zagrijavanjem?
•Na kojoj temperaturi se mogu koristiti?
![Page 6: TOPLINSKA ANALIZA - unizg.hr...3 “Ova supstancija,što god to bilo,uzrokom je topline,drugim riječima,osjećaj koji nazivamo toplina uzrokovan je akumulacijom ove supstancije, međutim](https://reader033.fdocuments.in/reader033/viewer/2022041516/5e2b2d7869926727f12298e9/html5/thumbnails/6.jpg)
6
Važnija toplinska svojstva materijala
•Toplinski kapacitet c •Toplinsko širenje (ekspanzija) α •Toplinska provodnost k
Toplinski kapacitet :sposobnost materijala da apsorbira toplinu iz okoline
Razlikujemo toplinski kapacitet pri stalnom tlaku (Cp) i toplinski kapacitet pri
stalnom volumenu (CV). Kada se radi o jednom molu tvari govorimo o molarnom
toplinskom kapacitetu pri stalnom tlaku (Cp,m) i molarnom toplinskom kapacitetu
pri stalnom volumenu (CV,m).
Jedinica:J/mol-K ili cal/mol-K
![Page 7: TOPLINSKA ANALIZA - unizg.hr...3 “Ova supstancija,što god to bilo,uzrokom je topline,drugim riječima,osjećaj koji nazivamo toplina uzrokovan je akumulacijom ove supstancije, međutim](https://reader033.fdocuments.in/reader033/viewer/2022041516/5e2b2d7869926727f12298e9/html5/thumbnails/7.jpg)
7
Toplinsko širenje (ekspanzija) Promjena dužine materijala uzrokovana promjenom temperature, može se prikazati matematičkim izrazom
l0 i lf - početna i konačna dužina materijala pri početnoj temperaturi To ,odnosno konačnoj temperaturi Tf
Parametar α predstavlja linearni koeficijent toplinskog širenja (ekspanzije) (oC) -1
ili
Koje su tipične vrijednosti α?i u kojem području ?
•Keramika 0.5x10-6 /oC do 15x10-6 /oC
•Metali 5x10-6 /oC do 25x10-6 /oC
-Niski α uslijed relativno jakih veza između atoma
-α anorganskog stakla ovisi o sastavu
•Polimeri 50x10-6 /oC do 400x10-6 /oC
-najveće vrijednosti α za linearne i razgranate polimere uslijed slabih sekundarnih međumolekulskih veza, kod kojih je minimalno umreženje.Povećanjem umreženja α se smanjuje
![Page 8: TOPLINSKA ANALIZA - unizg.hr...3 “Ova supstancija,što god to bilo,uzrokom je topline,drugim riječima,osjećaj koji nazivamo toplina uzrokovan je akumulacijom ove supstancije, međutim](https://reader033.fdocuments.in/reader033/viewer/2022041516/5e2b2d7869926727f12298e9/html5/thumbnails/8.jpg)
8
Meki materijali Veliki α
Tvrdi materijali Mali α
• Općenito, αkeramike ili stakla < α metala < αpolimera
Zagrijavanjem ili hlađenjem materijala u čvrstom stanju dolazi do promjene volumena s temperaturom što se može prikazati izrazom:
∆V -promjena volumena u temperaturnom intervalu ∆T
Vo-volumen uzorka pri temperaturi To
αv - volumni koeficijent toplinskog širenja
![Page 9: TOPLINSKA ANALIZA - unizg.hr...3 “Ova supstancija,što god to bilo,uzrokom je topline,drugim riječima,osjećaj koji nazivamo toplina uzrokovan je akumulacijom ove supstancije, međutim](https://reader033.fdocuments.in/reader033/viewer/2022041516/5e2b2d7869926727f12298e9/html5/thumbnails/9.jpg)
9
Toplinska provodnost (k) je količina topline koja se prenese, pri standardnim uvjetima u smjeru okomitom na površinu, pri razlici temperatura od 1 K. Jedinica za toplinsku provodnost je W∙m-1K-1.
q – toplinski tok, k- toplinska provodnost, ∂T/ ∂ x – temperaturni gradijent kroz vodljivi medij
•Općenito, k polimera < k keramike ili stakla < k metala
![Page 10: TOPLINSKA ANALIZA - unizg.hr...3 “Ova supstancija,što god to bilo,uzrokom je topline,drugim riječima,osjećaj koji nazivamo toplina uzrokovan je akumulacijom ove supstancije, međutim](https://reader033.fdocuments.in/reader033/viewer/2022041516/5e2b2d7869926727f12298e9/html5/thumbnails/10.jpg)
10
![Page 11: TOPLINSKA ANALIZA - unizg.hr...3 “Ova supstancija,što god to bilo,uzrokom je topline,drugim riječima,osjećaj koji nazivamo toplina uzrokovan je akumulacijom ove supstancije, međutim](https://reader033.fdocuments.in/reader033/viewer/2022041516/5e2b2d7869926727f12298e9/html5/thumbnails/11.jpg)
11
Svojstva materijala
Aditivi Punila,katalizatori Omekšavala Antioksidansi
Priroda materijala Čisti Kompozit Mješavina
Preradba Toplinska obrada Mehaničko naprezanje Skladištenje i primjena Fizikalna svojstva
•Specifični toplinski kapacitet
•Fazni prijelazi
•Gubitak mase
•Mehanička svojstva kao deformacije,modul pohrane i modul gubitka
![Page 12: TOPLINSKA ANALIZA - unizg.hr...3 “Ova supstancija,što god to bilo,uzrokom je topline,drugim riječima,osjećaj koji nazivamo toplina uzrokovan je akumulacijom ove supstancije, međutim](https://reader033.fdocuments.in/reader033/viewer/2022041516/5e2b2d7869926727f12298e9/html5/thumbnails/12.jpg)
12
Toplinska analiza ICTAC (International Confederation of Thermal Analysis and Calorymetry
“grupa tehnika u kojima se svojstva materijala mjere u funkciji temperature”
Zagrijavanje Toplinski kapacitet
Ekspanzija Yangov modul
Taljenje Talište
Kristalnost Omekšavanje
Oksidacija OIT Stabilizatori Gorenje
Razgradnja Temperatura Sastav Kinetika
Temperatura
Toplinska svojstva
![Page 13: TOPLINSKA ANALIZA - unizg.hr...3 “Ova supstancija,što god to bilo,uzrokom je topline,drugim riječima,osjećaj koji nazivamo toplina uzrokovan je akumulacijom ove supstancije, međutim](https://reader033.fdocuments.in/reader033/viewer/2022041516/5e2b2d7869926727f12298e9/html5/thumbnails/13.jpg)
13
Krutina Tekućina
Staklište
Talište
Temperatura
Temperatura
Amorfno
Kristalno
Polimeri:
•Amorfni
•Kristalni
Djelomično kristalan polimer
Kristalna faza
- Zagrijavanjem se tali i kod DSC tehnike imamo endotermni pik
Amorfna faza
- Zagrijavanjem omekšava i daje Tg
![Page 14: TOPLINSKA ANALIZA - unizg.hr...3 “Ova supstancija,što god to bilo,uzrokom je topline,drugim riječima,osjećaj koji nazivamo toplina uzrokovan je akumulacijom ove supstancije, međutim](https://reader033.fdocuments.in/reader033/viewer/2022041516/5e2b2d7869926727f12298e9/html5/thumbnails/14.jpg)
14
Staklasto stanje amorfne krutine, krut,lomljiv
Viskoelastično stanje elastomeri
Staklište
• Svojstvo amorfnih materijala
• U staklastom stanju (T<Tg), molekule su zamrznute.Mogu samo neznatno vibrirati, ali se ne pokreću
• U viskoelastičnom stanju (T>Tg) polagano pokretanje molekula
• Staklište je mjera promjene toplinskog kapaciteta
![Page 15: TOPLINSKA ANALIZA - unizg.hr...3 “Ova supstancija,što god to bilo,uzrokom je topline,drugim riječima,osjećaj koji nazivamo toplina uzrokovan je akumulacijom ove supstancije, međutim](https://reader033.fdocuments.in/reader033/viewer/2022041516/5e2b2d7869926727f12298e9/html5/thumbnails/15.jpg)
15
Fizikalna svojstva koja se mijenjaju s Tg Specifični toplinski kapacitet Specifični volumen Koeficijent toplinske ekspanzije Mehanički moduli, tj.Young-ov modul i smični modul
-rezolucija
- brzina zagrijavanja
Određivanje Tg-a DSC tehnikom
![Page 16: TOPLINSKA ANALIZA - unizg.hr...3 “Ova supstancija,što god to bilo,uzrokom je topline,drugim riječima,osjećaj koji nazivamo toplina uzrokovan je akumulacijom ove supstancije, međutim](https://reader033.fdocuments.in/reader033/viewer/2022041516/5e2b2d7869926727f12298e9/html5/thumbnails/16.jpg)
16
Određivanje Tg-a , DSC analiza
Utjecaj brzine hlađenja na Tg
Sporo hlađenje: molekule polimernog lanca imaju više vremena za orijentaciju i kristalizaciju
kristalnost veća
Brzo hlađenje: molekule polimernog lanca imaju manje vremena za orijentaciju i kristalizaciju
kristalnost manja
![Page 17: TOPLINSKA ANALIZA - unizg.hr...3 “Ova supstancija,što god to bilo,uzrokom je topline,drugim riječima,osjećaj koji nazivamo toplina uzrokovan je akumulacijom ove supstancije, međutim](https://reader033.fdocuments.in/reader033/viewer/2022041516/5e2b2d7869926727f12298e9/html5/thumbnails/17.jpg)
17
Utjecaj omekšavala na Tg
Tg nemješljivih mješavina
![Page 18: TOPLINSKA ANALIZA - unizg.hr...3 “Ova supstancija,što god to bilo,uzrokom je topline,drugim riječima,osjećaj koji nazivamo toplina uzrokovan je akumulacijom ove supstancije, međutim](https://reader033.fdocuments.in/reader033/viewer/2022041516/5e2b2d7869926727f12298e9/html5/thumbnails/18.jpg)
18
Tehnike toplinske analize
Diferencijalna pretražna
kalorimetrija
(DSC,DTA)
Fizikalni i kemijski
procesi
Termogravimetrija
(TG, DTG)
Gubitak mase,
Razgradnja,
Oksidacija
dH/dt Masa,dm/dt
Termomehanička analiza (TMA) Dilatometrija (DIL) Dinamičko mehanička analiza (DMA)
Deformacije Volumen i tlak
moduli
Promjena dimenzija Deformacije,
Gustoća Viskoelastična
svojstva,prijelazi
![Page 19: TOPLINSKA ANALIZA - unizg.hr...3 “Ova supstancija,što god to bilo,uzrokom je topline,drugim riječima,osjećaj koji nazivamo toplina uzrokovan je akumulacijom ove supstancije, međutim](https://reader033.fdocuments.in/reader033/viewer/2022041516/5e2b2d7869926727f12298e9/html5/thumbnails/19.jpg)
19
Što je toplinski analizator?
Diferencijalna pretražna kalorimetrija DSC
•Kalorimetrija mjeri dovedenu ili oslobođenu toplinu
•Diferencijalna kalorimetrija mjeri toplinu uzorka u odnosu na referentni uzorak
•Diferencijalna pretražna kalorimetrija mjeri sve gore navedeno i zagrijava/hladi uzorak uz linearni porast temperature
![Page 20: TOPLINSKA ANALIZA - unizg.hr...3 “Ova supstancija,što god to bilo,uzrokom je topline,drugim riječima,osjećaj koji nazivamo toplina uzrokovan je akumulacijom ove supstancije, međutim](https://reader033.fdocuments.in/reader033/viewer/2022041516/5e2b2d7869926727f12298e9/html5/thumbnails/20.jpg)
20
DSC-DIFERENCIJALNA PRETRAŽNA KALORIMETRIJA
• mjeri toplinski tok povezan sa strukturom (amorfna i kristalna) i strukturnim promjenama (prijelazi) materijala
• Toplinski tok-funkcija vremena i temperature
• Sve promjene uključuju apsorpciju ili otpuštanje topline
• Kvantitativna i kvalitativna informacija o fizikalnim i kemijskim promjenama materijala
• Kontrolirana atmosfera
• Linearni temperaturni program
![Page 21: TOPLINSKA ANALIZA - unizg.hr...3 “Ova supstancija,što god to bilo,uzrokom je topline,drugim riječima,osjećaj koji nazivamo toplina uzrokovan je akumulacijom ove supstancije, međutim](https://reader033.fdocuments.in/reader033/viewer/2022041516/5e2b2d7869926727f12298e9/html5/thumbnails/21.jpg)
21
Diferencijalna pretražna kalorimetrija DSC
DSC je najviše korištena toplinska tehnika toplinske analize DSC mjeri endotermne i egzotermne prijelaze u funkciji temperature Koristi se kod karakterizacije polimera, farmaceutskih spojeva,hrane, organskih i anorganskih kemikalija, gline,minerali,metali,itd.
Prijelazi koji se mjere uključuju: Tg,Tm,Tk, % kristalnosti, očvršćivanje (curing),kompatibilnost, toplinska stabilnost, OIT, razgradnja
Tipovi DSC instrumenata Diferencijalna pretražna kalorimetrija s mogućnošću kompenzacije snage
Mjeri se razlika u snazi koja je potrebna za održavanje uzorka i reference na istoj temperaturi pri kontroliranom temperaturnom programu
![Page 22: TOPLINSKA ANALIZA - unizg.hr...3 “Ova supstancija,što god to bilo,uzrokom je topline,drugim riječima,osjećaj koji nazivamo toplina uzrokovan je akumulacijom ove supstancije, međutim](https://reader033.fdocuments.in/reader033/viewer/2022041516/5e2b2d7869926727f12298e9/html5/thumbnails/22.jpg)
22
Prikaz DSC instrumenta (Mettler toledo DSC 823 e)
Toplinski tok Brzina zagrijavanja
Diferencijalna pretražna kalorimetrija s promjenom toplinskog toka
![Page 23: TOPLINSKA ANALIZA - unizg.hr...3 “Ova supstancija,što god to bilo,uzrokom je topline,drugim riječima,osjećaj koji nazivamo toplina uzrokovan je akumulacijom ove supstancije, međutim](https://reader033.fdocuments.in/reader033/viewer/2022041516/5e2b2d7869926727f12298e9/html5/thumbnails/23.jpg)
23
•Konstantna brzina zagrijavanja
-početna temperatura
-konačna temperatura
-Brzina zagrijavanja (oC) -Toplinski tok uzorka – toplinski tok reference/vrijeme(temperatura)
DSC
Toplinska svojstva koji se mjere uključuju: Tg,Tm,Tk, % kristalnosti, očvršćivanje (curing),kompatibilnost, toplinska stabilnost, OIT, razgradnja
•Konstantna brzina zagrijavanja
-početna temperatura
-konačna temperatura
-Brzina zagrijavanja (oC)
-Temperatura uzorka/ vrijeme (temperatura)
-Temperatura reference/vrijeme (temperatura)
DTA
![Page 24: TOPLINSKA ANALIZA - unizg.hr...3 “Ova supstancija,što god to bilo,uzrokom je topline,drugim riječima,osjećaj koji nazivamo toplina uzrokovan je akumulacijom ove supstancije, međutim](https://reader033.fdocuments.in/reader033/viewer/2022041516/5e2b2d7869926727f12298e9/html5/thumbnails/24.jpg)
24
•Konstantna brzina zagrijavanja
-početna temperatura
-konačna temperatura
-Brzina zagrijavanja (oC)
-Dimenzije uzorka/ vrijeme (temperatura)
•Koeficijent toplinske ekspanzije
•Volumne promjene kod kristalizacije
•Staklište kod polimera
TMA
![Page 25: TOPLINSKA ANALIZA - unizg.hr...3 “Ova supstancija,što god to bilo,uzrokom je topline,drugim riječima,osjećaj koji nazivamo toplina uzrokovan je akumulacijom ove supstancije, međutim](https://reader033.fdocuments.in/reader033/viewer/2022041516/5e2b2d7869926727f12298e9/html5/thumbnails/25.jpg)
25
U tehnici modulacijske DSC, u odnosu na standardnu DSC tehniku, primjenjuje se sinusoidalna (modulacijska) brzina zagrijavanja umjesto uobičajenog linearnog temperaturnog programa, s ciljem dobivanja informacija o toplinskim svojstvima materijala. Signal s DSC aparata (toplinski tok) odjeljuje se u dvije komponente, jedna komponenta je tzv. «povrativa», u fazi s primijenjenom sinusnom pobudom, dok je druga «nepovrativa», izvan faze. Ukupni toplinski tok (dQ/dt) zbroj je dvaju tokova. Temperaturni program kod MDSC karakteriziraju brzina zagrijavanja, period modulacije i temperaturna amplituda modulacije.
MDSC
![Page 26: TOPLINSKA ANALIZA - unizg.hr...3 “Ova supstancija,što god to bilo,uzrokom je topline,drugim riječima,osjećaj koji nazivamo toplina uzrokovan je akumulacijom ove supstancije, međutim](https://reader033.fdocuments.in/reader033/viewer/2022041516/5e2b2d7869926727f12298e9/html5/thumbnails/26.jpg)
26
Reversible Transitions (povrativi prijelazi)
•Staklište
•Talište
Non-reversible (nepovrativi)
•Kristalizacija
•Umrežavanje (curing)
•Oksidacija/degradacija
![Page 27: TOPLINSKA ANALIZA - unizg.hr...3 “Ova supstancija,što god to bilo,uzrokom je topline,drugim riječima,osjećaj koji nazivamo toplina uzrokovan je akumulacijom ove supstancije, međutim](https://reader033.fdocuments.in/reader033/viewer/2022041516/5e2b2d7869926727f12298e9/html5/thumbnails/27.jpg)
27
KAKO POČETI MJERENJE?
MDSC krivulja za praznu posudu
![Page 28: TOPLINSKA ANALIZA - unizg.hr...3 “Ova supstancija,što god to bilo,uzrokom je topline,drugim riječima,osjećaj koji nazivamo toplina uzrokovan je akumulacijom ove supstancije, međutim](https://reader033.fdocuments.in/reader033/viewer/2022041516/5e2b2d7869926727f12298e9/html5/thumbnails/28.jpg)
28 MDSC krivulja za kalibraciju
![Page 29: TOPLINSKA ANALIZA - unizg.hr...3 “Ova supstancija,što god to bilo,uzrokom je topline,drugim riječima,osjećaj koji nazivamo toplina uzrokovan je akumulacijom ove supstancije, međutim](https://reader033.fdocuments.in/reader033/viewer/2022041516/5e2b2d7869926727f12298e9/html5/thumbnails/29.jpg)
29 MDSC krivulja za uzorak
![Page 30: TOPLINSKA ANALIZA - unizg.hr...3 “Ova supstancija,što god to bilo,uzrokom je topline,drugim riječima,osjećaj koji nazivamo toplina uzrokovan je akumulacijom ove supstancije, međutim](https://reader033.fdocuments.in/reader033/viewer/2022041516/5e2b2d7869926727f12298e9/html5/thumbnails/30.jpg)
30 Prikaz preklopljenih MDSC krivulja
![Page 31: TOPLINSKA ANALIZA - unizg.hr...3 “Ova supstancija,što god to bilo,uzrokom je topline,drugim riječima,osjećaj koji nazivamo toplina uzrokovan je akumulacijom ove supstancije, međutim](https://reader033.fdocuments.in/reader033/viewer/2022041516/5e2b2d7869926727f12298e9/html5/thumbnails/31.jpg)
31