DSC Differential Scanning Calorimetrie

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1 DSC Differential Scanning Calorimetrie Ziel: Ermittlung von Materialeigenschaften aufgrund von Enthalpieänderungen. Grundprinzip: Die Differential Scanning Calorimetrie (DSC) ist definiert als eine Messmethode, die den differentiellen Wärmefluss in eine Substanz hinein oder aus einer Substanz heraus gegen ein Referenzmaterial als Funktion der Probentemperatur erfasst. Die DSC unterscheidet sich in wesentlichen Punkten von der klassischen Differenzthermoanalyse (DTA). Sie betrachtet die Wärmegleichgewichtsbeziehungen und die Abhängigkeit vom Wärmefluss. Für Messungen nach der DSC-Methode müssen zwei grundlegende Forderungen erfüllt sein: 1.) Die Thermoelemente, die die differentielle Temperatur messen, dürfen nicht in der Probensubstanz angeordnet sein. Wenn die Thermoelemente in der Probensubstanz positioniert sind, werden sie ein Teil des Wärmeübertragungsweges von der Wärmequelle zum Temperatursensor. Die Enthalpieänderungen hängen ab von der thermischen Leitfähigkeit, der spezifischen Wärme und der Packungsdichte der Probe. Daher werden die Thermoelemente (Flächenthermoelemente) an einer Stelle der Konstantanplatte angebracht, an der sie integral die Wärmemenge der Probe und der Referenz aufnehmen und registrieren. 2.) Die zweite wichtige Voraussetzung ist der definierte Wärmefluß und die Reproduzierbarkeit der Wärmeübergänge. Da der thermische Widerstand die Empfindlichkeit und die Auflösung des Kalorimeters beeinflußt, müssen diese Werte von Versuch zu Versuch konstant bleiben, um eine gute Reproduzierbarkeit und Genauigkeit zu erhalten. Gerätedaten: Temperaturbereich: -170 C C (mit Al-Pfännchen nur bis 600 C) Temperaturgenauigkeit: ± 0,1 C Kalorimetergenauigkeit: ± 1% Probengröße: 0,5-100mg am besten: 5-20mg Bemerkung zur Probengröße: Normalerweise ist es am besten, wenn man so wenig wie möglich Einwaage nimmt, da so der Temperaturgradient verkleinert wird. Nur bei schwer zu erkennenden Übergängen nimmt man zur Verstärkung des Wärmeflusses mehr Einwaage. Die Probenvorbereitung wird generell am besten von Seiten des Instituts gemacht.

2 Versuchsaufbau: b c d e a f g h b h k l m j i Spülgas Kühlung Vacuum a- Heizung b- Probenpfanne c- Deckel d- Abdeckung e- Glasglocke f- Referenzpfanne g- Heizblock h - Konstantanplatte i- Thermoelementenpaarverbindung j- Spülgaseinlass Ergebnisse: Glaspunkt 2 Kristallisationswärme 3 Schmelzwärme 4 Vernetzung/Kettenbildung 5 Oxidation oder Zersetzung weitere Ergebnisse: - Wärmekapazitätsmessungen - Bestimmung der Reaktionswärme

3 Anwendungsbeispiel im Faserverbund: Bestimmung der Vernetzungsenergie Einsatzpunkt des Vernetzungspeaks Überprüfung der Aushärtung eines Materials Glaspunktbestimmung Wärmekapazitätsmessung Vorhersage über mögliche Aushärtezyklen Diagrammbeispiel: Ziel: DMA Dynamisch Mechanische Analyse Ermittlung elastischer Werkstoffeigenschaften in Abhängigkeit der Temperatur und/oder der Zeit (hieraus ist eine weitere Ableitung von Kennwerten möglich). Grundprinzip: Probe T x R Lagerung a µ Einspannung Die Proben werden je nach Einspannlänge mehr auf Biegung bzw. mehr auf Schub beansprucht. Die Belastung erfolgt durch eine gleichgerichtete Schwenkbewegung der beiden Hebelarme. Dabei wird die Schwingung durch elektromagnetische Anregung in der Eigenfrequenz aufrechterhalten. Aus Probengeometrie, Eigenfrequenz des Schwingsystems und der Dämpfung werden die jeweiligen Größen ermittelt. B Hebelarme

4 Versuchsaufbau: a- elektromagnetischer Antrieb b- Lagerpunkte c- Thermoelement d- Probe e- Einspannung f- angetriebener Arm f- induktiver Wegaufnehmer Gerätedaten: Modulbereich: 1 Mpa bis 200 GPa Modulgenauigkeit: 5% (5-30 Hz) Amplitudenbereich: 0,1-2,0mm Resonanzfrequenz: 2-85 Hz Festfrequenz: 0,001-10,0 Hz Spannungsabweichung: < 5% Kriechabweichung: < 5% Temperaturbereich: -150 C C Heizrate: 0,01-50 C/min Kühlrate: 1-5 C/min bis 150 C Isothermale Stabilität: Temperaturgenauigkeit: Probenlänge: Probendicke: Probenbreite: ± 0,1 C bei 100 C über 1 h ± 0,1 C 6-75mm (vertikal) 6-57mm (horizontal) 12mm 15mm (vertikal) 5mm (horizontal)

5 Ergebnisse: - Elastizitätsmodul, Schubmodul, jeweils Speicher- und Verlustmodul - Kriech- und Relaxationsversuche - Umwandlungstemperaturen (z.b. Glaspunkt, Erweichungspunkt) - Werkstoffeigenschaften Anwendung im Faserverbund: - Bestimmung der Glasübergangstemperatur auch in Abhängigkeit der Frequenz - Bestimmung des Schubmoduls birgt Schwierigkeiten in sich, aufgrund seiner Anisotropie - Untersuchen von Kriech- und Spannungsverhalten der Proben über der Temperatur Diagrammbeispiel:

6 TMA Thermo Mechanische Analyse Ziel: Bestimmung des Ausdehnungskoeffizienten Grundprinzip: Wird ein Material erwärmt (abgekühlt), so dehnt es sich aus bzw. schrumpft. Die auftretenden Längenänderungen können über die vertikale Verschiebung einer Meßsonde gemessen werden. Die Bestimmung der Längen- oder Volumenausdehnung (Ausdehnungskoeffizient) einer Materialprobe als Funktion der Temperatur wird als Dilatometrie bezeichnet. Im Falle bestimmter Materialien (Polymere) aber können darüber hinaus noch andere Messungen, abhängig von der Art der Anordnung, der Meßsonde und des Probenhalters, durchgeführt werden. Es können bestimmt werden: - Glaspunkt - Erweichungspunkt des weiteren können mit Zusatzgeräten noch Spannungen, Dehnungen, Schmelzviskositäten, Biegemoduli und Relaxationsmoduli bestimmt werden. Versuchsaufbau: a- Gewichtstablett b- linearer Wegaufnehmer c- Probenhalter d- Ofen e- Probe f- Dewar- Gefäss g- Einstellbare Füsse h- Feder

7 Gerätedaten: Temperaturbereich: -180 C C Gerätegenauigkeit: ± 0,5% Gewichtsbelastung: 0-100g max. Probenhöhe: 25mm max. Probendurchmesser: 9,5mm Bei der Probenfertigung ist besonders darauf zu achten, daß die zu messenden Seiten exakt parallel sind. Anwendungsbeispiel im Faserverbund: - messen der Glasübergangstemperatur durch Penetration oder Expansion - messen der Ausdehnungskoeffizienten in verschiedenen Faserrichtungen Diagrammbeispiel:

8 TGA Thermo Gravimetrische Analyse Ziel: Ermittlung von Gewichtsänderungen in Abhängigkeit der Temperatur und/oder der Zeit. Grundprinzip: Die TGA ist eine thermoanalytische Untersuchungsmethode, in welcher die Änderungen der Masse einer Probe gemessen wird. Wir unterscheiden zwischen zwei Hauptarten: isotherme oder statische TGA: bei konstanter Temperatur wird die Masse der Probe als Funktion der Zeit aufgezeichnet. dynamische TGA: die Temperatur der Probe wird kontinuierlich verändert (vorzugsweise linear erhöht) und die Masse der Probe als Funktion der Probentemperatur aufgezeichnet. Versuchsaufbau: a- Gehäuse der Waage e- Lichtschranke b- Quarzstab f- Thermoelement für die Probe c- Probenpfanne g- Öffnung für Spülgas d- Gegengewicht Gerätedaten: Temperaturbereich: RT bis 1200 C Genauigkeit: ± 1% max. Gewicht: 120mg Die Probenvorbereitung sollte generell von Seiten des Instituts gemacht werden.

9 Ergebnisse: thermische Stabilität und Zusammensetzung der Probe thermische Stabilität und Zusammensetzung der Zwischenprodukte Wassergehalt der Probe Zusammensetzung des Rückstands Hinweis: Die TGA wird meist ergänzt durch andere Untersuchungen (z.b. Gaschromatograph, Massenspektroskop) bei denen die entstandenen Gase weiter untersucht werden. Anwendungsbeispiel im Faserverbund: - Bestimmung des Faservolumengehaltes - Bestimmung der max. Einsatztemperatur des Materials - Feuchtemessung - Alterung des Materials Diagrammbeispiel:

10 Rasterelektonenmikroskopie und Lichtmikroskopie Bei lichtmikroskopischen und rasterelekronenmikroskopischen Aufnahmen können Bruchflächen, Einschlüsse, Risse und sogar einzelne Fasern untersucht werden. Die Proben müssen jeweils vorbehandelt werden, zum einen werden Schliffproben angefertigt zum anderen werden die Proben mit Gold bedampft. Aufnahme Lichtmikroskop: Aufnahme Rasterelektronenmikroskop: Stand Juni 2012