Thermische Analyse Thermomechanische Analyse für alle Ansprüche

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1 Thermische Analyse Thermomechanische Analyse für alle Ansprüche TMA/SDTA840

2 METTLER TOLEDO Thermomechanisches Modul TMA/SDTA840 Ausgezeichnete Leistung, einfacher und sicherer Betrieb Mit der thermomechanischen Analyse (TMA) werden Dimensionsänderungen in Funktion der Temperatur gemessen. Die thermische Ausdehnung und die Erweichungstemperatur bestimmen die Einsatzmöglichkeiten des Werkstoffes und geben wichtige Hinweise auf dessen Zusammensetzung. Grosser Messbereich (± 5 mm) Hohe Auflösung (10 nm) Definierte Atmosphäre dank gasdichter Messzelle Temperaturbereich (Raumtemperatur* bis 1100 C) Hohe Temperaturgenauigkeit (± 0,25 C) Thermische Effekte werden auf der SDTA -Kurve sichtbar Zukunftsorientiert durch modularen Aufbau Dynamische Last TMA (DLTMA-Modus) Parallelführung des mechanischen Anregungssystems Analyse der Zersetzungsprodukte mit EGA (Evolved Gas Analysis) Der Anwendungsbereich reicht von der Qualitätskontrolle bis hin zu Forschung und Entwicklung. Einsatzgebiete sind Kunststoffe, Farben und Lacke, Verbundwerkstoffe, Folien und Fasern, Keramik, Gläser, Legierungen, Beschichtungen und Klebstoffe. *Tieftemperaturoptionen in Vorbereitung 2

3 Grosser Messbereich und hohe Auflösung Für den ganzen Messbereich von ± 5 mm stehen Ihnen Punkte zur Verfügung. Das bedeutet, dass kleine und grosse Proben (maximal 20 mm) ohne Bereichsumschaltung mit 10 nm Auflösung gemessen werden können. Definierte Atmosphäre dank gasdichter Messzelle Auf Knopfdruck öffnet sich der Probenraum. Danach sind Probenträger und Messsonde von drei Seiten zugänglich. Die dichte Messzelle kann evakuiert und mit einem definierten Gas 6 geflutet werden. Erst in einem so abgeschlossenen System sind eindeutige Aussagen bei oxidationsempfindlichen Proben möglich. Grosser Temperaturbereich mit hoher Temperaturgenauigkeit Direkt unterhalb der Probe, durch eine dünne Quarzglasschicht vor Verschmutzung geschützt, wird die Probentemperatur gemessen. Bei der Kalibrierung misst dieser Sensor den Schmelzpunkt von Reinmetallen, was zu dieser hohen Temperaturgenauigkeit von ± 0,25 C führt. SDTA -Betrieb Der TMA-Kurve kann die DTA-Kurve überlagert werden. Mit Hilfe eines mathematischen Modells wird die Referenztemperatur berechnet und von der gemessenen Probentemperatur subtrahiert. Die simultane Messung von TMAund DTA-Kurve erleichtert in vielen Fällen die Interpretation ganz wesentlich. Betriebsarten Die Messzelle kann in verschiedenen Messmodi betrieben werden. Wird ohne merkliche Druckspannung gemessen, spricht man von Dilatometrie. Unter statischer Druck-, Zug- oder Biegespannung kann sich die Probe während der Messung deformieren (TMA-Modus). Im DLTMA-Modus ändert die Kraft periodisch während der Messung. Damit gewinnen Sie Hinweise zum elastischen Verhalten der Probe. Parallelführung des mechanischen Anregungssystems Ein zentraler Punkt bei der TMA- Messzelle ist die Parallelführung der Messsonde. Dies setzt eine äusserst präzise Mechanik voraus, welche auf der Waagentechnologie basiert. Dank dieser Parallelführung kann sich die Messsonde ohne Reibungskräfte auf und ab bewegen Gasauslasshahn 2 Bride mit Schraube 3 Ofenheizung 4 Kühlmantel 5 Probenträger 6 Ofentemperatursensor 7 Probentemperatursensor 8 Reaktivgaskapillare 9 Messsonde 10 Dichtungen 11 Thermostatisierter Zellenraum 12 Kraftgenerator 13 Längensensor (LVDT) 14 Biegelager der Parallelführung 15 Justiergewicht 16 Schutzgaseinlass 17 Reaktivgaseinlass 18 Vakuum- oder Spülgasanschluss 19 Wasserkühlung

4 Mehr Möglichkeiten, Optionen und Zubehör Modular heisst jederzeit ausbaubar TMA DSC TGA Zukunftssichere Investitionen Sie beginnen mit der Gerätekonfi-guration, die Ihren momentanen Bedürfnissen entspricht. Die Erweiterung mit einer Option oder ande-rem Zubehör, zum Beispiel für die automatische Gasschaltung, ist auch später noch möglich. Steuerung externer Geräte Externe Geräte sind einfach an das Messmodul anzuschliessen. Mit der entsprechenden Peripheriesteuerkarte lassen sie sich leicht durch das Programm gesteuert starten und stoppen. Computersteuerung Der ganze Messablauf kann mit wenigen Befehlen auf dem Rechner erstellt werden. Ergänzungen und Änderungen sind dort sehr einfach einzugeben. Gleichzeitig prüft das Programm die Eingaben auf ihre Richtigkeit. Alle erzeugten Daten werden automatisch in einer Datenbank gespeichert und stehen zu Dokumentationszwecken immer zur Verfügung, auch noch nach Jahren. Eine grosse Anzahl von Softwareoptionen wird Ihnen die Arbeit erleichtern oder sogar zu einem guten Teil abnehmen. Auf der Stufe der höchsten Automatisierung werden Messung, Auswertung und Resultatbeurteilung bis hin zum Ausdruck automatisch durch das System ausgeführt. Analyse der Zersetzungsprodukte mit EGA (Evolved Gas Analysis) Die TMA/SDTA84O-Messzelle kann mit einem Massenspektrometer oder einem FTIR gekoppelt werden. Mit dieser Zusatzinformation ist eine sichere und eindeutige Interpretation der Messkurve möglich. Strom sparen Da das Messsystem vielleicht nicht dauernd im Einsatz ist, möchte man der Umwelt zuliebe nach der Messung externe Geräte ausschalten. Dies wird mit einem Netzausgang realisiert, welcher methodengesteuert ein- und ausgeschaltet werden kann. Nebst diesem Netzausgang kann auch die Ofenheizung ausgeschaltet werden. So geht das Modul in einen Stromsparzustand über. Erst durch das nächste Experiment wird dieser Zustand wieder aufgehoben. 4

5 Messsonden und Probenhalter aus Quarzglas Folgende Messsonden stehen Ihnen zur Verfügung: Messsonde mit Kugelspitze (3,0 mm) Messsonde mit flachem Abschluss (1,1 und 3,0 mm) Je nach Probe braucht es einen anderen Probenhalter: Standard-Probenhalter Folieneinspannvorrichtung Fasereinspannvorrichtung Biegevorrichtung Sie können sowohl die Messsonden als auch die Probenhalter sehr einfach austauschen. Applikationsunterlagen helfen Ihnen unser Know-how in zeitgemässe Problemlösungen umzusetzen. TS0800 GC 5 Schutzglas Reaktivgas Spülgas TS0800 GC1 Durchflussmesser Rotameter elektrisches Gasventil (On/Off) manuelles Gasventil Programmierbare Gasschaltung Der automatische Betrieb kann sinnvoll mit den Gaskontrollern unterstützt werden. Je nach Kontrollertyp können ein Kanal oder zwei getrennte Kanäle über die Software ein- und ausgeschaltet werden. Die Gaskontroller messen den Durchfluss. Abweichungen werden registriert und auf der Messkurve zur Anzeige gebracht.

6 Beispiele aus der Praxis Thermomechanische Analyse für einen breiten Anwendungsbereich Die vielfältigen Einsatzmöglichkeiten der TMA sind durch den weiten Temperatur- und Druck- /Zugspannunsgbereich sowie durch einfache Probenvorbereitung und -handhabung gegeben. Seien es hauchdünne Schichten, dickere Probenzylinder, Fäden, Platten,Einkristalle, weiche oder harte Polymere, die thermomechanische Analyse liefert aussagekräftige Informationen in kurzer Zeit. Dies kann die Temperatur eines thermischen Effektes sein, bei dem die Probendimension ändert, z.b. die Glasumwandlungstemperatur, die Erweichungstemperatur, die Temperatur einer Fest-fest-Umwandlung, die Schmelztemperatur oder die Temperatur des Beginns einer thermischen Zersetzung (Aufschäumen, Delaminieren). Die hochpräzise Längenmessung in Funktion der Temperatur liefert probenspezifische Kennzahlen wie z.b. Ausdehnungskoeffizient relative Ausdehnung relative Schrumpfung elastisches Rückstellungsvermögen Penetrationstiefe Quellverhalten E-Modul Sehr oft interessiert auch das Verhalten einer Probe unter spezieller Gasatmosphäre, unter Lastwechsel (Druck- oder Biegespannung) sowie bei verschiedener thermischer Vorbehandlung. Nach DIN wird die DTA so dargestellt, dass endotherme Peaks nach oben zeigen. Die oft mit der DTA zu vergleichende DTG ist deshalb mit 1 multipliziert dargestellt. Proben unter vernachlässigbarer Druckspannung ergeben Ausdehnungskurven, aus deren Steigung der lineare Ausdehnungskoeffizient bestimmt werden kann. Vorbedingungen für genaue Resultate sind eine nicht zu hohe Heizrate (< 10 K/min) sowie die Blindkurvensubtraktion. Besonders interessant sind Stoffe mit ungleichförmiger Wärmeausdehnung, wie z.b. das im Präzisionsapparatebau verwendete Invar mit 36 % Nickel, welches sich im Bereich der Raumtemperatur praktisch nicht ausdehnt. Duranglas hat wie alle Mineralgläser einen sehr niedrigen Ausdehnungskoeffizienten, welcher allerdings beim Glasübergang stark ansteigt. Der Quarzkristall dehnt sich entlang seiner c-achse bis zur Fest-fest-Umwandlung bei 575 C aus, um anschliessend zu schrumpfen. Aus den Glas-Epoxid-Verbundwerkstoffen sind ca. 5mal 5 mm grosse Prüflinge geschnitten worden, um sie im TMA in der z-achse mit 20 K/min untersuchen zu können. Zum Schutz des Probenträgers wird der Prüfling auf eine dünne Aluminiumfolie gelegt. Die Messkraft von 0,10 N verteilt sich dank aufgelegter Quarzglasscheibe gleichmässig auf die ganze Probe. Beim Glasübergang nimmt die Steigung der TMA-Kurve (oder der Ausdehnungskoeffizient) sprunghaft zu. Die in der Mitte dargestellte Kurve zeigt ein geringfügiges Ausquetschen (3 µm) von Lötzinn bei dessen Schmelzpunkt. Sobald das verwendete Epoxidharz durch die thermische Zersetzung gasförmige Produkte bildet, wird der Prüfling aufgebläht (Delamination). 6

7 Vernetztes Polyethylen ist unterhalb seines Kristallitschmelzbereiches so hart wie Standard-PE. Beim Schmelzen nimmt das Volumen zu, und das Verhalten wird gummiartig. Die gleichzeitig gemessene SDTA - Kurve zeigt den endothermen Schmelzpeak bei 135 C. Die PE-Probe von 2,28mm Dicke ist mit einem Quarzglasscheibchen zugedeckt worden, um die Druckspannung gleichmässig zu verteilen. Oberhalb 140 C beträgt die elastische Deformation 2,5 % unter der Wechsellast von 0,02/0,50 N. Heizrate: 10 K/min. Im Ge-gensatz zum vernetzten Polyethylen würde gewöhnliches PE nach dem Schmelzen plastisch deformieren und somit ausgepresst. Aus dem Verbundwerkstoff ist ein 0,80 mm dicker, 2,36 mm breiter und 12 mm langer Prüfling geschnitten worden. Ein U-förmig gebogener 1-mm-Cu-Draht mit einem Abstand der beiden Schenkel von 8,6 mm dient als Auflage. Die 3-mm-Kugelsonde drückt in die Mitte der Probe. Last: 0,02/0,50 N; Periode: 12 s; Heizrate: 10 K/min. Die TMA-Software berechnet aus der blindkurvenkorrigierten DLTMA-Kurve die Mittelkurve sowie den komplexen Elastizitätsmodul als Temperaturfunktion (siehe Tabelle). Der Biegeversuch zeigt Glasübergänge hochgefüllter Polymere viel besser als die DDK. Zwei parallele Fäden von je 94 dtex und einer Länge von 14 mm werden im Faserzusatz einer Heizrate von 10 K/min unterworfen. Atmosphäre: trockener Stickstoff 100 ml/min. Die Zugkraft steigt von Messung zu Messung wie im Diagramm vermerkt. Während des Abkühlens auf 25 C wird mit 0,10 N belastet. Die letzte Messung geht bis 200 C. Mit Zugkräften unter 0,2 N schrumpfen die Fäden dauernd, während bei grösseren Kräften die Ausdehnung überwiegt. Der Wendepunkt bei 80 C zeigt den Glasübergang an. 7 Aufgrund unterschiedlicher Anforderungen sind die Innen- und Aussenschichten von Getränkedosen verschieden aufgebaut. Eine TMA-Penetrationsmessung mit der 3-mm- Kugelsonde und einer Auflagekraft von 1 Newton kann das Erweichen (Auspressen) beider Seiten gemessen werden. Um die einzelne Schicht zu messen, wird die Gegenschicht vorher mit einem Messer abgetragen. Heizrate: 10 K/min. Die Innenschicht erweicht im Bereich von 100 bis 190 C, die Aussenfarbe bei 120 C. Die Absolutdarstellung der Probendicke zeigt, wie dünn die Beschichtung einer Getränkedose heute sein kann.

8 Technische Daten Qualität Service Auf METTLER TOLEDO können Sie sich verlassen Temperaturangaben: Temperaturbereich Raumtemperatur 1100 C Temperaturgenauigkeit ±0,25 C Temperaturreproduzierbarkeit ±0,15 C Aufheizung Raumtemperatur 1000 C 8 min Abkühlung C 20 min Längenangaben: Maximale Probenlänge 20 mm Messbereich ± 5 mm Auflösung 10 nm Rauschen (RMS) 5 nm Kraftangaben: Kraftbereich 0,1... 1,0 N in Stufen von 1,3 mn DLTMA-Angaben: Frequenzen < 1 Hz SDTA (Single Differential Thermal Analysis)-Angaben: SDTA -Auflösung 0,005 C SDTA -Rauschen (RMS) 0,01 C SDTA -Sensortyp RTyp Thermoelement (Pt-Pt/Rh 13%) SDTA -Signalzeitkonstante 33 s Abtastung: Abtastrate max. 10 Werte pro Sekunde Zulassungen: Elektrische Sicherheit S+, CSA, EN , C22.2 No Elektromagnetische Verträglichkeit EN55011 Kl.B, FCC Part 15J, EN , Namurempfehlung NE 21/1993 Rückwirkungen in Stromversorgungsnetzen EN , EN Konformitätszeichen CE Verlangen Sie unsere Produktinformationen zum Thema Materialcharakterisierung Zur Bestimmung von thermischen Kennzahlen wie Schmelz-, Siede-, Tropf- und Trübungspunkt bieten wir eine grosse Auswahl von Systemkombinationen. Verschiedene Messmodule (DSC, TGA, TMA, TOA) und Software für die thermische Analyse stehen zur Verfügung. UserCom Informiert Sie regelmässig über TA- Tips, Neuheiten und Applikationen. SERVICE INTERNET Qualitätszertifikat Entwicklung, Produktion und Prüfung nach ISO9001. Service weltweit Unser dichtes Servicenetz, das zu den besten der Welt gehört, sorgt für die maximale Verfügbarkeit und Lebensdauer Ihres Produktes. Jetzt auch auf dem Internet Neuigkeiten und wichtige Informationen über unsere Produkte und Applikationen sowie über unsere Firma erhalten Sie schnell und übersichtlich auf Unserer Umwelt zuliebe. Diese Broschüre ist auf chlorfrei hergestelltem Recyclingpapier gedruckt. Technische Änderungen vorbehalten 12/97 Mettler-Toledo GmbH, Printed in Switzerland MCG MarCom Greifensee Mettler-Toledo AG, Analytical Sonnenbergstrasse 74, CH-8603 Schwerzenbach, Switzerland Tel. (01) , Telefax (01)