Thermal Analysis UserCom 11

مقدمة

في الجزء الأول من هذا العمل (UserCom 10)، تمت مناقشة المبادئ الأساسية للتزجج فضلاً عن قياسه وتقييمه. ويصف الجزء الثاني عددًا من الجوانب العملية.

يتطلب التزجج دائمًا وجود درجة معينة من الاضطراب في التركيبة الجزيئية للمادة التي يجري التحقق منها (على سبيل المثال، المناطق اللابلورية). والتزجج حساس للغاية للتغييرات في التفاعلات الجزيئية. ومن ثم، يمكن الاستفادة من قياس التزجج في تحديد وتوصيف الفروق البنيوية بين العينات أو التغييرات في المواد. وتُقدم المقالة التالية عددًا من الأمثلة لتوضيح نوع المعلومات التي يمكن الحصول عليها من تحليل التزجج.

[…]

يمكن تحليل العديد من المواد البادئة النقية المستخدمة في صناعة الأدوية وفي تكنولوجيا صناعة الأطعمة وتوصيفها بانتظام بمساعدة تحديد درجة الذوبان. ورغم ذلك، فإن الأمر يختلف إلى حد ما بالنسبة للشموع والدهون والزيوت الصالحة للأكل.

القيم الحرارية

إن التركيب المتغير والتعديلات البلورية المختلفة لمثل هذه المنتجات يعنيان أنه لا يمكن وضع توصيف فعال من خلال قيمة حرارية واحدة، على سبيل المثال، درجة الذوبان.

ورغم ذلك، ولأغراض المقارنة على الأقل، أُعد عددًا من الإجراءات المختلفة للحصول على قيم حرارية يمكن قياسها بسهولة من خلال تحليل روتيني، على سبيل المثال درجات التليين ودرجات التسيل ودرجات الذوبان الانزلاقي ودرجة الذوبان وفقًا لـ Wiley وUbbelohde وغير ذلك.

[…]

مقدمة

تُستخدَم الرموز التالية في كيمياء الأسمنت بغرض التبسيط:

A لـ Al₂O₃ (أكسيد الألومنيوم)، وC لـ CaO (أكسيد الكالسيوم)، وH لـ H₂O (الماء)، وS لـ SiO₂ (ثنائي أكسيد السيليكون) و S̅ لـ SO₃ (ثلاثي أكسيد الكبريت). على سبيل المثال، يُصبح ألومينات ثلاثي الكالسيوم ( 3CaO.Al₂O₃) عبارة عن C₃A والجبس (CaSO₄ .2H₂O) عبارة عن CS̅H₂.

وتسبب إضافة الماء إلى الأسمنت البورتلاندي بدء تفاعل التصليد أو التصلب الذي يتم من خلاله ربط الكتلة كلها معًا. ويؤدي تميه الأسمنت البورتلاندي إلى تكوين هيدرات مختلفة، وهي عملية معقدة للغاية:

• ويحتوي الأسمنت البورتلاندي على مكونات متنوعة تمتص ماء البلورة بمعدلات مختلفة.
• تتشكل العديد من الهيدرات المختلفة، وبعضها لا يمكن حساب كميته.
• وتكون درجة بلورة الهيدرات منخفضة.
  

وخلال الساعات القليلة الأولى بعد مزج الماء مع الأسمنت البورتلاندي، يتفاعل C₃A بسرعة مع تركيبة تضم عددًا من هيدرات ألومنيوم الكالسيوم المختلفة:

• 3CaO.Al₂O₃.6H₂O (C₃AH₆),
• و‎2CaO.Al₂O₃.8H₂O (C₂AH₈)
• و‎4CaO.Al₂O₃.19H₂O (C₄AH₁₉)

ويؤدي وجود الكالسيوم والكبريت في الطور المائي (الجبس المذاب) إلى تميؤ C₃A متحولاً إلى هيدرات سلفات ألومنيوم الكالسيوم (ettringite) (C₆AS̅₃H₃₂):

‎3CaO.Al₂O₃ + 3CaSO₄.2H₂O + 26H₂O ⇒ 6CO.Al₂O₃.3SO₃.32H₂O

C_3A + 3CS̅H₂ + 26H ⇒ C₆AS̅₃H₃₂

وفي نفس الوقت، تتشكل كمية صغيرة من هلام سيليكات الكالسيوم الغرواني (CSH) من C₃S.

C₃S + nH₂O ⇒ C₃S.nH₂O (هلام)

أصبح تفسير منحنيات القياس الحراري الوزني في المراحل المبكرة من التميه أكثر صعوبة نظرًا لتقارب درجات حرارة انحلال CSH وهيدرات سلفات ألومنيوم الكالسيوم (ettringite) وثنائي هيدرات سلفات الكالسيوم.

وأُجريَت القياسات الحرارية الوزنية باستخدام METTLER TOLEDO TGA/ SDTA850. واستُخدم خيار معدل التسخين الذي يتم ضبطه ومواءمته حسب الحدث (MaxRes [3 - 5]) لتحسين فصل عمليات نزع الماء.

[…]

مقدمة

إن كالوريمتر المسح الضوئي التفاضلي المتناوب (ADSC) عبارة عن تقنية لكالوريمتر المسح الضوئي التفاضلي (DSC) حيث تتداخل درجات الحرارة التي تتباين دوريًا مع معدل التسخين الخطي. وفي حالة التعديل الجيبي للنطاق A_T والتردد ω، يوصف معدل التسخين β بالمعادلة التالية:

β = βo + AT cos (ωt)         (1)

في DSC التقليدي، يُحدَد برنامج درجة الحرارة بواسطة درجات الحرارة الأولية والنهائية ومعدل التسخين. وبالنسبة لـ ADCS، فبالإضافة إلى معدل التسخين الأساسي βo، توجد معلمتان إضافيتان، وهما نطاق التعديل A_T وتردد التعديل ω. ويجب اختيار هاتين المعلمتين بعناية للحصول على معلومات ذات مغزى من التجربة (انظر أيضًا المقالة الواردة في USER COM 6).

ينتج عن تعديل معدل التسخين إشارة تدفق حراري معدَّلة، Φ. وتخضع هذه الإشارة المعدَّلة لتحليل فورييه، وتُفصل إلى مكونات مختلفة. يتمثل أحد هذه المكونات في إجمالي التدفق الحراري الذي يتوافق إلى حد كبير مع الإشارة التي تم الحصول عليها من قياس DSC تقليدي عند معدل تسخين βo. إضافة إلى ذلك، يتم حساب منحنى السعة الحرارية المركبة |Cp∗| وفقًا للمعادلة:

|Cp∗| =  AΦ / Aβ                 (2)

حيث يمثل AΦ وAβ نطاقي التدفق الحراري ومعدل التسخين على الترتيب. ويتم أيضًا حساب زاوية الطور بين معدل التسخين المعدَّل والتدفق الحراري المعدَّل. ويتيح هذا تأكيدات معينة حول عمليات الانحلال في العينة.

ويسمح استخدام ADSC بدراسة المعالجة ثابتة الحرارة لراتينجات الإيبوكسي. وهناك أهمية خاصة تتعلق بهذا الأمر للتزجيج وتحديد مخطط تحول الوقت ودرجة الحرارة[2, 3]). وتصف هذه المقالة كيفية استخدام تقنية كالوريمتر المسح الضوئي التفاضلي المتناوب (ADSC) لدراسة المعالجة الديناميكية. ويمكن ملاحظة ظاهرة التزجيج (تحويل السائل إلى صلب) التي تتبعها ظاهرة إزالة صفات الزجيج (تحويل الصلب إلى سائل) عبر منحنيات السعة الحرارية وزاوية الطور إذا كان معدل التسخين بطيئًا بالقدر الكافي. ويتم تحديد درجات الحرارة المقابلة من إشارة |Cp*| ثم يتم إدخالها في مخطط المعالجة الحرارية المستمرة (مخطط CHT). ويُظهر مخطط CHT درجات الحرارة والأوقات اللازمة للوصول إلى هذه التحولات عند معدلات تسخين ثابتة مختلفة (4). وبالقياس على مخطط TTT ثابت الحرارة، يُستخدَم مخطط CHT لدراسة خواص وتأثير ظروف المعالجة على مثل هذه الراتينجات.

[…]

Literature

[1] C. T. Imrie, Z. Jiang, J. M. Hutchinson, Phase correction in ADSC measurements in glass transition, USER COM No.6, December 97, p.20-21
[2] S. Montserrat, Vitrification in the isothermal curing of epoxy resins by ADSC, USER COM No.8, December 98, p.11-12
[3] S. Montserrat, I. Cima, Thermochim. Acta, 330 (1999) 189

مقدمة

تُنتَج الألياف على مستوى العالم بكميات ضخمة. حيث يتم كل عام إنتاج أكثر من 20 مليون طن من الألياف الاصطناعية و20 مليون طن من الألياف الطبيعية. ويساوي إجمالي طول هذه الألياف حوالي 10000 ضعف المسافة من الأرض إلى الشمس.

ومن الخواص المميزة للألياف هي أن طولها أكبر بكثير من قطرها. والتباين الكبير في خواص التركيبة الصغيرة والخواص الفيزيائية الناشئة عن عمليتي التدويم والتمدد هما سببان رئيسيان للخواص المحددة والمميزة للألياف [1، 2]. والتدويم والتمدد والتطويع هي في الحقيقة أهم الخطوات في تصنيع الألياف. وتحدد هذه العمليات خواص مثل معامل المرونة (معامل Young، E) والصلابة المطلوبة للاستعمال المتصوَر. ويتم تحديد خواص التلوين والانكماش (انقباض الألياف) والثبات الحراري بواسطة حجم البلورات وعددها واتجاهها والتركيبة الجزيئية في المناطق اللابلورية. والتحليل الحراري الميكانيكي (TMA) - بصفة خاصة - فضلاً عن DMA وDSC وTGA وTOA هي تقنيات متميزة للتحقق من تأثيرات درجة الحرارة والحِمل الميكانيكي على الألياف والخيوط. وتسمح هذه التقنيات بالتحقق من العلاقة بين التركيب والخواص وعملية التصنيع [3]. والقياسات المقارَنة التي تتكرر كثيرًا في ظروف متماثلة تكون كافية لتوصيف درجات حرارة التحول وسلوك الانكماش والتمدد. وتنتج قياسات التحليل الحراري الميكانيكي (TMA) أيضًا قيمًا رقمية مثل معامل التمدد الخطي ومعامل Young E وقوة الانكماش كدالة لدرجة الحرارة.

[…]

Literature

[1] L.H. Sperling, Introduction to physical polymer science, 2nd ed., Wiley- Interscience, New York (1992), p. 263.
[2] M. Jaffe, J. D. Menczel, W. E. Bessey, Chapter 7 in Thermal Characterization of Polymeric Materials, 2 nd ed. (E. A. Turi, Ed.), Academic Press, New York (1997) 1767 - 1954.
[3] ibid., Seite 1785.