Thermal Analysis Excellence

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1 Thermal Analysis Excellence TMA/SDTA 1 STAR e System Innovative Technologie Unbegrenzte Modularität Schweizer Qualität Thermomechanische Analyse für alle Ansprüche

2 TMA Excellence Herausragende Messleistungen dank Schweizer Präzisionsmechanik Mit der thermomechanischen Analyse (TMA) werden Dimensionsänderungen einer Probe als Funktion der Temperatur gemessen. Thermische Ausdehnung und Effekte wie Erweichung, Kristallisation oder Fest-Festumwandlung bestimmen die Einsatzmöglichkeiten des Werkstoffes und geben wichtige Hinweise auf dessen Zusammensetzung. Durch Variation der angelegten Kraft (DLTMA-Modus) lässt sich das viskoelastische Verhalten untersuchen. Eigenschaften und Vorteile des METTLER TOLEDO TMA/SDTA 1: Grosser Temperaturbereich von 150 bis 1600 C SDTA simultane Messung von thermischen Effekten One Click effiziente Probenmessung Nanometer-Auflösung ermöglicht das Erfassen von kleinsten Dimensionsänderungen DLTMA-Modus misst kleinste Umwandlungen und die Elastizität Grosser Messbereich für kleine und grosse Proben Modularer Aufbau ermöglicht Geräteerweiterung bei neuen Anforderungen Kombinierte Messtechniken Analyse von Zersetzungsprodukten mittels Evolved Gas Analysis (MS, GC/MS und FTIR) Das TMA/SDTA 1 besticht dank Schweizer Präzisionsmechanik mit herausragender Messleistung und ermöglicht deshalb Resultate in Nanometer-Auflösung. 2

3 SDTA-Signal unübertroffene Temperaturgenauigkeit Das TMA/SDTA 1 ist das einzige Gerät auf dem Markt, das die Probentemperatur in jedem Belastungsmodus unmittelbar bei der Probe misst. Dies ermöglicht eine Temperaturjustierung durch Vergleich mit Referenzsubstanzen (Schmelzpunkten von Reinmetallen) oder anhand der Längenänderung. Das SDTA-Signal ist die Differenztemperatur der mittels Modellrechnung ermittelten Referenztemperatur und der gemessenen Probentemperatur (US-Patent ). Simultan zur Längenänderung steht also mit dem SDTA-Signal eine weitere Messgrösse zur Verfügung. Häufig ist so erst eine korrekte Interpretation einer Messkurve möglich. DLTMA-Modus Der DLTMA-Betriebsmodus ermöglicht, das elastische Verhalten der Proben zu untersuchen. Einzigartige Temperaturkalibrierung Die METTLER TOLEDO TMA-Typen verfügen über zwei Thermoelemente: Eines misst die Ofentemperatur und regelt die Programmtemperatur; das andere Thermoelement befindet sich nahe der Probe und misst deren Temperatur. 3

4 Innovation Schnelle Ergebnisse dank innovativer Lösungen Vereinfachtes Montieren Für das Fixieren der Probenhalter und das Anbringen der Messsonden haben Sie freien Zugang und können diese Arbeiten schnell und einfach erledigen. Der Probenhalter ist nur in einer Stellung richtig positionierbar; welches mittels einer Einkerbung gewährleistet wird. Die Messsonde ist mit einem Magneten am Längensensor festgemacht und kann somit sehr einfach ausgetauscht werden. Für jeden Messmodus stehen Ihnen verschiedene Probenhalter und Messsonden zur Verfügung, so können Sie immer die, für die jeweilige Applikation, bestmögliche Variante auswählen. Vollständiges Thermoanalyse-System Ein vollständiges Thermoanalyse-System besteht aus vier Grundmesstechniken. Alle charakterisieren die Probe auf ihre spezifische Art. Erst die Kombination aller Resultate ergibt ein vollständiges Bild und vereinfacht die Interpretation. Neben dem mechanischen Modul (DMA) können der Wärmestrom (DSC, Flash DSC), die Gewichtskurve (TGA) und die Längenänderung (TMA) gemessen werden. Alle diese Messgrössen ändern sich mit der Temperatur. DMA DSC Flash DSC TGA TMA 4

5 Durchdachte Lösungen bis ins letzte Detail Touchscreen-Terminal des TMA/SDTA 1 mit One Click -Technologie Das berührungsempfindliche Farbterminal des TMA/SDTA 1 liefert dem Benutzer klare und einfache Informationen und ist auch aus der Ferne gut sichtbar. Dank der patentierten One Click -Funktion lassen sich vordefinierte Messmethoden mit einem Tastendruck sicher und einfach vom Terminal aus starten. Alle Kraft- und Längen-Kalibrationen werden über das Terminal gesteuert, so dass die entsprechende Kalibrierung einfach und fehlerlos durchgeführt werden kann. Die Bestimmung der Probenlängen und die Übermittlung an die Software kann durch den Touch- Screen gesteuert werden. Dadurch werden allfällige Übertragungsfehler von vornherein ausgeschlossen. SmartSens-Funktionen Bei gewissen Applikationen ist es für hochpräzise Längenmessungen notwendig, dass die Messsonde mit minimalster Kraft auf die Probe wirkt. Dieses bedingt aber, dass jegliche Berührung des Gerätes zu vermeiden ist. Deshalb lassen sich nun zentrale Funktionen wie das Öffnen und Schliessen des Ofens sowie die Wahl der Messparameter auf dem Terminal durch typische berührungslose Bewegungen steuern. Das passende Zubehör Für das Aufbewahren und schnelle Auffinden der sehr präzis gefertigten Probenhalter und Messfühler aus Quarzglas und Aluminiumoxid und der verschiedenen anderen Werkzeuge und Zubehörteile stellen wir Ihnen einen hochwertigen Holzkoffer zur Verfügung. Dank des Schaumeinsatzes hat jedes Teil seinen angestammten Platz und ist damit vor Beschädigung geschützt. 5

6 Verlässliche Messleistung der Spitzenklasse über den gesamten Temperaturbereich Schweizer Qualität Messprinzip Die thermomechanische Analyse misst die Längenänderung einer Probe in Abhängigkeit der Temperatur und der angelegten Kraft. Grosser Messbereich Für den gesamten Messbereich von ±5 mm stehen Ihnen Punkte zur Verfügung. Das bedeutet, dass kleine und grosse Proben (bis maximal 20 mm) ohne Bereichsumschaltung mit 0.5 nm Auflösung gemessen werden können Thermostatisierung Der mechanische Teil der Messzelle ist in einem thermostatisierbaren Gehäuse untergebracht. Dieses garantiert höchste Genauigkeit bei der Bestimmung der Wärmeausdehnungskoeffizienten. Das Wasser des Thermostaten wird auch zur Kühlung des Ofens verwendet, so dass schnelle Abkühlzeiten erreicht werden können Bildlegende 1 Gaseinlass 2 Wasserkühlung 3 Parallelführung mit Biegelager 4 Justiergewicht 5 LVDT 6 Kraftgenerator 3 7 Höhenverstellung 8 thermostatisierte Messzelle 9 Probenträger 10 Messsonde 11 Probentemperatursensor 12 Kühlmantel 13 Ofenheizung 1 Parallelführung des mechanischen Anregungs-Systems Ein zentraler Punkt der TMA-Messzelle ist die Parallelführung der Messsonde. Diese Führung setzt eine äusserst präzise Mechanik voraus, welche auf der weltbekannten METTLER TOLEDO Waagentechnologie basiert. Dank dieser Entwicklung wird die Messsonde ohne Reibungskräfte nach oben oder unten bewegt und die gestellte Kraft erreicht daher eine sehr grosse Genauigkeit. 6

7 Optimierte Probenhalter einfache und schnelle Handhabung Beim TMA/SDTA 1 haben Sie die Wahl zwischen verschiedenen Deformationsmodi. Welcher Modus für Ihre Fragestellung am geeignetsten ist, hängt dabei von der zu untersuchenden Probe und deren Eigenschaften ab. A B C D E F Die verschiedenen Deformations-Modi Dilatometrischer Modus (A): Dieser Modus wird am häufigsten in der thermomechanischen Analyse eingesetzt. Es wird der Ausdehnungskoeffizient als Funktion der Temperatur bestimmt. Typisch für diesen Modus ist, dass eine minimale Kraft auf die Probe wirkt. Kompressionsmodus (A): In diesem Modus wird die Probe einer grossen Kraft unterworfen. Penetrationsmodus-Modus (B): Das Ziel einer Penetrationsmessung ist die Bestimmung der Erweichungstemperatur einer Probe. Meist wird hier die Messsonde mit Kugelform genutzt. Zugmodus (C): Die Faser- oder Filmeinspannvorrichtung erlaubt die Durchführung von Messungen unter Zug. Damit können Längenänderungen bei der Schrumpfung oder Ausdehnung bestimmt werden. 3-Punkt-Biegemodus (D): Der ideale Modus für Untersuchungen der Elastizität von steifen Proben wie faserverstärkten Polymeren. Quellung (E): Viele Stoffe quellen beim Kontakt mit Flüssigkeit. Die dadurch erfolgende Volumen- respektive Längenänderung lässt sich dank der Quellvorrichtung messen. Volumenausdehnung (F): Flüssigkeiten dehnen sich ebenso wie Festkörper aus. Eine neu entwickelte Vorrichtung ermöglicht Ihnen, Volumenänderungen von Flüssigkeiten zu messen. Hochpräzise Messsonden und Probenhalter aus Quarzglas Schweizer Qualität steckt auch in den Messsonden und Probenhaltern. Wir bieten Ihnen folgende Sondenund Probenhalter-Typen aus Quarzglas an: Probenhalter für den Messbereich 0 bis 10 mm Probenhalter für den Messbereich von 10 bis 20 mm Folieneinspann-Vorrichtung 7

8 Beispiellose Vielseitigkeit für jede Anwendung die optimale Konfiguration Die 4 TMA/SDTA 1-Varianten Das TMA/SDTA 1 wird in 4 Varianten angeboten: Hochtemperatur-Variante für den Bereich von Raumtemperatur bis 1600 C. Standard-Temperatur-Variante für die Messungen von Raumtemperatur bis 1100 C. Intracooler-Variante die leistungsfähigste Kühlvariante im Markt, die ohne Flüssigstickstoff auskommt, von 80 bis 600 C. Flüssigstickstoff-Kühlvariante für den ganz tiefen Temperaturbereich von 150 C bis 600 C. IC/600 LN/600 Ein Umbau von der einen zu einer anderen TMA-Variante ist in allen Fällen möglich und wird als Servicedienstleistung angeboten. LF/1100 HT/1600 TMA/SDTA 1 Gerätetyp Kühlgerät IC/600 LN/600 LF/1100 HT/1600 Umwälz-Thermostat Kühlleistung >600 W Umwälz-Thermostat Kühlleistung >400 W Umwälz-Thermostat Kühlleistung >100 W Fasereinspann-Vorrichtung Vorrichtung für 3-Punkt-Biegung Vorrichtungen für Quell- oder Volumetrie-Messungen Messsonden mit Kugelspitzen (3.0 mm) Messsonden mit flachem Abschluss (1.1 und 3.0 mm) Messsonden mit Schneide Die Probenhalter für den Messbereich 0 bis 10 mm mit Kugelspitzen-Messsonde gibt es für den Hochtemperaturbereich auch aus Aluminiumoxid. 8

9 Modularer Aufbau jederzeit ausbaubar TMA/SDTA 1-Konfiguration Probenhalter-Typen IC/600 LN/600 LF/1100 HT/1600 Probenhalter 0 bis 10 mm, Quarzglas Probenhalter 10 bis 20 mm, Quarzglas Fasereinspannvorrichtungs-Set mit 1 Haken, Quarzglas Filmeinspannvorrichtungs-Set mit 2 Haken, Quarzglas Probenhalter 0 bis 10 mm, Aluminiumoxid K-Typ / im Lieferumfang enthalten K-Typ / optional K-Typ / optional K-Typ /optional R-Typ / im Lieferumfang enthalten optional R-Typ / optional R-Typ / optional R-Typ / optional R-Typ / optional R-Typ / im Lieferumfang enthalten Messsonden-Typen IC/600 LN/600 LF/1100 HT/1600 Messsonde, Kugelform, 3 mm, Quarzglas im Lieferumfang enthalten optional Messsonde, Kugelform, 3 mm, Alox Messsonde, flach, 3 mm, Quarzglas Messsonde, flach, 1.1. mm, Quarzglas Messsonde, Schneide Vorrichtung 3-Punkt-Biegung Vorrichtung Quellung Vorrichtung Volumenausdehnung optional enthalten optional (einsetzbar bis 1100 C) optional (einsetzbar bis 1100 C) optional (einsetzbar bis 1100 C) optional (einsetzbar bis 1100 C) optional (einsetzbar bis 1100 C) optional (einsetzbar bis 1100 C) Analyse der Zersetzungsprodukte mit EGA (Evolved Gas Analysis) Mechanical Analyzer Transfer Line Gas Analyzer Die TMA-Messzelle kann mit einem Massenspektrometer oder einem FTIR-Gerät gekoppelt werden. Mit dieser Zusatzinformation ist eine sichere und eindeutige Interpretation der Messkurve möglich. Purge gas LVDT Furnace Products + purge gas Computer Heater MS or FTIR or GC/MS AGC Thermal Book 20% Analysis Cyan Application Handbook Thermal Analysis in Practice Collected Applications Wichtige Dienstleistungen Was wäre ein Messgerät ohne weiterführende Kompetenz? Die Verkaufsingenieure und Servicespezialisten von METTLER TOLEDO stehen Ihnen mit ihrer gesamten Kompetenz zur Seite! Unterstützung erhalten Sie auf den verschiedensten Gebieten: Service und Unterhalt Kalibrierung und Justierung Training und Applikationsberatung Gerätequalifizierung METTLER TOLEDO stellt Ihnen zudem umfangreiche, branchenspezifische Applikationsliteratur zur Verfügung. 9

10 Applikationsvielfalt Thermomechanische Analyse für einen breiten Anwendungsbereich Die vielfältigen Einsatzmöglichkeiten des TMA/SDTA 1 sind durch den weiten Temperatur-, Druck- respektive Zugspannungsbereich gegeben. So lassen sich unterschiedliche Proben messen: hauchdünne Schichten, dicke Probenzylinder, feine Fasern, Filme, Platten, weiche oder harte Polymere oder Einkristalle das TMA/SDTA 1 liefert aussagekräftige Informationen in kurzer Zeit. Komplementäre Messtechnik Die TMA-Messtechnik ist die ideale Ergänzung zur DSC. Neben der Messung des Ausdehnungs-koeffizienten eignet sich das TMA hervorragend zur Bestimmung von Glasübergängen, die mit der DSC nicht mehr messbar sind, wie zum Beispiel bei hochgefüllten Werkstoffen. Penetrationsmessungen als weitere TMA-Methode können Glasübergänge von schwierigen Proben (wie dünne Beschichtungen) einfach charakterisieren. Auswahl von Effekten und Eigenschaften, die mittels TMA/SDTA 1 charakterisiert werden: Viskoelastisches Verhalten (Young s Modulus) Glasumwandlung Ausdehnungskoeffizient Ausdehnung und Schrumpfen von Fasern und Filmen Erweichung Viskoses Fliessen Schmelzen und Kristallisation Gelierung Phasenumwandlungen Härtungs- und Vernetzungsreaktion Quellverhalten Volumenausdehnung Thermische Effekte von Pharmazeutika und Lebensmitteln 10

11 Bestimmung von Ausdehnungskoeffizienten Der thermische Ausdehnungskoeffizient (engl. CTE) lässt sich aus TMA-Messungen bestimmen. Die Abbildung zeigt TMA-Messkurven für verschiedene Materialien und die daraus ermittelten CTE-Werte. Borosilikatglas hat im Glaszustand einen CTE von etwa 3.3 ppm, die Glasumwandlung erfolgt um 550 C. Invar, eine Eisen-Nickel-Legierung, zeigt bis etwa 150 C praktisch keine thermische Expansion. Kristalliner -Quarz dehnt sich mit einem kontinuierlich zunehmenden CTE aus. Nach der Umwandlung zu -Quarz bei etwa 575 C schrumpft das Material. Kriechverhalten von Elastomeren Eine wichtige Eigenschaft von Dichtungen ist deren Kriechverhalten. Die Kriechverformung setzt sich aus einem reversiblen, elastischen Anteil und einem irreversiblen Fliessanteil zusammen. Die Abbildung zeigt das Kriechverhalten von unterschiedlich vulkanisierten Styrol-Butadien-Elastomeren (SBR). Das nicht vulkanisierte SBR0 zeigt eine grosse elastische Deformation (Pfeil links). Sie nimmt mit zunehmendem Vulkanisationsgrad ab. SBR0 weist auch die grösste bleibende Verformung und damit den höchsten Fliessanteil auf (Pfeil rechts). Gute Dichtungen zeichnen sich durch einen geringen Fliessanteil aus. Gesinterte Hochleistungskeramik Hochleistungskeramik zeichnet sich durch hohe Temperaturbeständigkeit aus. Dies ist hier an zwei vorgängig gesinterten SiO 2 -Proben gezeigt; einer konventionellen SiO 2 -Probe 1 und der Probe 2. Gut sichtbar ist der Kristobalit-Übergang der Probe 1 bei 245 C, der schnell erfolgt, was oft zu Rissen im Material führt. Beim zweiten SiO 2 - Typ erfolgt ein langsamerer Quarz-Übergang bei höheren Temperaturen, mit vermindertem Risiko von Rissbildung. Ausserdem enthält die Probe 2 Kristallisationskeime; so erfolgt bei dieser Probe eine Kristallisation ab ca C. All dies macht Probe 2 zu einer Hochleistungskeramik. 11

12 Delamination von Verbundmaterialien Leiterplatten (Abk. engl. PCB) sind Laminate aus Glasfaser-Schichten in einer Epoxidmatrix. Wichtige Eigenschaften von PCB-Proben sind die Glasübergangstemperatur (T g ) und die thermische Stabilität, beides kann mit einer TMA gemessen werden. Die Änderungen der Steigung der Kurven bei 93 und 122 C entsprechen den T g -Werten der beiden PCB-Proben. Als Folge der Zersetzung der Harzmatrix bläht sich Schichtstruktur der PCB auf. Diese Delamination führt zu Sprüngen in der TMA-Kurve. Im Vergleich zu PCB2 ist PCB1 thermisch stabiler. Fest-fest Umwandlungen mittels TMA und DSC Fest-fest Umwandlungen sind stets mit Volumenänderungen verbunden. Derartige Umwandlungen zeigen sich auf einer TMA-Kurve als Stufen. Dies ist hier am Beispiel von Ammoniumnitrat dargestellt. Ammoniumnitrat wird in Düngemitteln und Sprengstoffen verwendet. Die Messkurven zeigen, dass die Umwandlungen sehr rasch erfolgen. Die Umwandlungstemperaturen werden durch innere Spannungen in der Probe und damit von deren thermischen Vorgeschichte beeinflusst. Dies erklärt die unterschiedlichen Messkurven für das erste bzw. zweite Aufheizen. Zum Vergleich ist auch eine DSC-Kurve dargestellt (zweites Heizen). Ausdehnungsverhalten von Filmen Verstreckte Folien weisen häufig anisotrope mechanische Eigenschaften auf. Diese können mit einer TMA-Messung untersucht werden. Im Beispiel wurde das Ausdehnungsverhalten von zwei Folien aus Polyethersulfon gemessen. Die roten Kurven beschreiben das Verhalten der verstreckten Probe entlang und quer zur Verstreckungsrichtung, die beiden blauen Kurven das Verhalten der unverstreckten Probe entlang zweier senkrecht zueinander stehenden Richtungen. Es ist offensichtlich, dass die unverstreckte Probe ein isotropes Verhalten zeigt, während die verstreckte Probe ausgeprägte anisotrope Ausdehnungseigenschaften aufweist. 12

13 Gelbildung mittels DLTMA Die Gelier-oder Topfzeit ist die Zeit, welche die Moleküle in einem aushärtenden Harz benötigen, um ein Gel zu bilden. Nach der Gelierung kann das Harz nicht mehr geformt werden. Die Gelierzeit bestimmt somit das Zeitfenster, während dem aushärtende Harze verarbeitet werden können. Die Gelierzeit kann mit DLTMA bestimmt werden. Im flüssigen Zustand löst sich die Messsonde leicht von der Probe, die gemessene Wegamplitude unter der angelegten Wechsellast ist konstant hoch. Nach der Gelierzeit verklebt die Messsonde mit der Probe, und die Wegamplitude nimmt rasch ab. Quellverhalten von Elastomeren Das Quellungsverhalten von Dichtungsmaterialien in Lösungsmitteln ist wichtig für deren praktische Verwendbarkeit. Mit einem speziellen Quellungs-Zubehör kann dieses Verhalten mit der TMA/SDTA 1 gemessen werden. Die Abbildung zeigt das Quellungsverhalten von verschiedenen Elastomeren in Toluol bei 30 C. FPM (Fluorkautschuk) quillt nur geringfügig und kann deshalb als Dichtungsmaterial in Toluol verwendet werden. Die anderen untersuchten Elastomere quellen in Toluol wesentlich stärker. So dehnt sich beispielsweise Silikongummi (MQ, Methyl-Polysiloxan) innerhalb von 35 Minuten in einer Richtung um 35% aus. Aushärten eines Epoxidharzes Ein vorgehärtetes Epoxidharz wurde mittels DLTMA gemessen. Im Glaszustand ist das Pulver hart, die Wegamplitude bei der angelegten Wechsellast ist klein. Mit dem Glasübergang nimmt die Wegamplitude zu, oberhalb des T g ist das Harz flüssig und beginnt zu fliessen, die Wegamplitude bleibt konstant. Bei etwa 190 C nimmt die Wegamplitude ab, was auf Aushärtung zurückzuführen ist. Dies ist auch auf der gleichzeitig gemessenen SDTA-Kurve erkennbar (exothermer Peak). Beim zweiten Aufheizen erkennt man auf der DLTMA Kurve bei etwa 110 C den Glasübergang der nun vollständig ausgehärteten Probe. 13

14 TMA/SDTA 1 Spezifikationen Temperaturangaben LF/1100 HT/1600 IC/600 LN/600 Temperaturbereich RT bis 1100 C RT bis 1600 C 80 bis 600 C 150 bis 600 C Temperaturgenauigkeit ±0.25 C ±0.5 C ±0.25 C ±0.25 C (RT bis max. Temp.) Temperaturgenauigkeit n.a. ±0.35 C ±0.35 C ( 70/ 100 C bis RT) Temperaturgenauigkeit n.a. n.a. ±0.5 C ( 150 bis 100 C) Temperaturreproduzierbarkeit ±0.15 C ±0.35 C ±0.25 C ±0.25 C Aufheizung (RT bis max. Temp.) 8 min 22 min <6 min <6 min Aufheizung ( 70/ 150 bis 600 C) n.a. <7 min <6 min Abkühlung (Max. Temp. bis RT) 20 min <40 min 13 min <15 min Abkühlung (RT bis 70/ 150 C) n.a. 22 min 15 min Längenangaben Maximale Probenlänge 20 mm Messbereich ±5 mm Auflösung 0.5 nm Rauschen (RMS) 5 nm Reproduzierbarkeit ±100 nm ±300/±500 nm (1100 / 1600 C) ±100 nm ±50 nm Kraftangaben Kraftbereich DLTMA-Angaben Frequenzen 0.1 bis 1.0 N 0.01 bis 1 Hz SDTA -Angaben SDTA -Auflösung C SDTA -Rauschen (RMS) 0.01 C 0.01 C 0.02 C 0.02 C SDTA -Sensortyp R-Typ K-Typ SDTA -Signalzeitkonstante 33 s 33 s 38 s 38 s Abtastung Abtastrate max. 10 Werte pro Sekunde Zulassungen IEC/EN , IEC/EN CAN/CSA-C22.2 No & IEC / EN (class B) IEC / EN (Industrial requirements) FCC, Part 15, class A AS/NZS CISPR 11, AS/NZS Conformity Mark: CE, CSA, C-Tick Für mehr Information Mettler-Toledo AG, Analytical CH-8603 Schwerzenbach, Schweiz Tel Fax Qualitätszertifikat. Entwicklung, Produktion und Prüfung nach ISO Umweltmanagement-System nach ISO Technische Änderungen vorbehalten 01/2014 Mettler-Toledo AG, Marketing MatChar / MarCom Analytical «Conformité Européenne». Dieses Zeichen gibt Ihnen die Gewähr, dass unsere Produkte den neuesten Richtlinien entsprechen.