ポリマーの熱分析 - 第1部: 熱可塑性物質のDSC

イントロダクション

熱分析には、物質を制御温度プログラム下で時間の関数として物質の物理的特性を測定するために使用するさまざまな技術が含まれます。この手法には、DSC(示差バーコード読み取り熱量測定)、TGA(熱重量分析)、TMA(熱機械分析)、DMA(動的粘弾性測定)が含まれます。

熱分析は、研究開発、プロセス最適化、品質管理、材料の故障、損傷分析、および競合製品の分析に採用されています。たとえば、水分率、添加剤、可塑剤または充填剤の影響、および不純物および汚染物質の含量/含有量は、熱測定から決定できます。

さらに、さまざまな方法は、処理、熱履歴と前処理(保管と使用)、機械的応力またはひずみ、および寸法変化に関する情報収率。

この最初の記事では、DSCを使用して熱可塑性プラスチックのPET(ポリエチレンテレフタレート)を可能な限り包括的に分析する方法について説明します[1]。さまざまなメソッドの結果を互いに比較します。主なトピックは次のとおりです。

• ガラス転移
• 常温結晶化
• 再 結晶 化
• 溶融
• 熱履歴

PET

PETは、熱可塑性ポリマーのグループを代表するものとして選ばれました。テレフタル酸とエチレングリコールの重縮合反応で生成されるポリエステルです。その構造を図1に示します。

PETは多種多様な用途に使用されます。最もよく知られているものの1つは、飲料業界でのペットボトルの製造です。また、しわ、引き裂き、耐候性に優れ、吸水性が低いため、スポーツ衣料業界で繊維としても使用されています。

1〜500μmのフィルムは、包装材料、家具の製造、日よけなどに使用されます。完成したフィルムは、多くの場合、他のフィルムでコーティングまたはラミネートされ、香りの損失を防ぐためにコーヒーや他の食品を包装するなど、食品業界で広く使用されています。したがって、一定の品質を保証するためには、材料の特性評価が非常に重要です。

実験の詳細

この記事で説明するDSC測定は、FRS5センサを備えたDSC 1を使用して実行し、STAReソフトウェアで評価したものです。

用途に応じて3〜10mg程度計量PETサンプルを調製し、前処理した。一般に、サンプルは表面が平らで、るつぼとよく接触している必要があります。サンプルパンの底部は、密閉時にサンプル材料によって変形してはなりません。

酸化安定性 (OIT/OOT)

最後に、ポリマーとオイルの酸化安定性を測定するために使用されるOITとOOTと呼ばれる2つのDSCメソッドについて簡単に説明します[10、11]。この手法では製品の経年変化の加速化成品シミュレートし、製品の相対安定性に関する情報を得ることができます。たとえば、異なる材料を互いに比較したり、異なる添加剤を含む同じ材料のサンプルを分析して添加剤の影響を決定したりできます。実際には、メソッドはPE(ポリエチレン)に広く使用されています。以下に説明するアプリケーション例でもPEのサンプルを使用しています。これは、PETの分解が融解と再エステル化によって重なり、明確に特定できないからです。

PEのOIT(酸化誘導時間)測定(図10)は、PEの安定性に対する特定の金属の影響を確認するために、異なる金属からなるサンプルパンで行うことがよくあります。この例では、30°Cで3分間、20K/minで30°Cから180°Cまで加熱し、次に180°Cで等温する温度プログラムに従って窒素雰囲気中で測定を開始した。 2分後、ガスを酸素に切り替えました。酸化が観察されたら直ちに測定を停止しました。OITは、パージガスが酸素に切り替えられてから酸化が始まるまでの時間間隔です。比較のために、開放型の40μLアルミニウム/銅サンプルパンで測定を行いました。酸化は、明らかにアルミニウム製サンプルパンよりも銅製サンプルパンの方がはるかに早く発生します。銅は触媒として作用し、PEの分解を促進します。

サンプルの酸化安定性は、酸化開始温度(OOT)を測定することで比較することもできます。このメソッドでは、サンプルを酸素雰囲気中で加熱し、酸化が始まる開始温度を評価します。OIT測定は実行が簡単で時間がかからないため、製品の安定性を比較するための品質管理によく使用されます。

熱可塑性物質のTGA、TMA、およびDMA測定を扱うこのシリーズの記事の第2部は、UserCom 32に掲載されます。

^{Thermal Analysis of Polymers. Part 1: DSC of Thermoplastics | Thermal Analysis Application No. UC 311 | Application published in METTLER TOLEDO Thermal Analysis UserCom 31}