Thermische Analyse

Thermomechanische Analyse für alle Ansprüche

TMA/SDTA840

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METTLER TOLEDOThermomechanisches 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 Erweichungstemperaturbestimmen 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

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1 Gasauslasshahn2 Bride mit Schraube3 Ofenheizung4 Kühlmantel5 Probenträger6 Ofentemperatursensor7 Probentemperatursensor

geflutet werden. Erst in einem soabgeschlossenen System sind eindeutige Aussagen bei oxida-tionsempfindlichen Proben möglich.

Grosser Temperaturbereich mithoher Temperaturgenauigkeit Direkt unterhalb der Probe, durcheine dünne Quarzglasschicht vorVerschmutzung geschützt, wird dieProbentemperatur gemessen. Beider Kalibrierung misst dieser Sensorden Schmelzpunkt von Reinmetal-len, was zu dieser hohen Tempera-turgenauigkeit von ± 0,25 °C führt.

SDTA®-BetriebDer TMA-Kurve kann die DTA-Kurveüberlagert werden. Mit Hilfe einesmathematischen Modells wird die Referenztemperatur berechnetund von der gemessenen Proben-temperatur subtrahiert.Die simultane Messung von TMA-und DTA-Kurve erleichtert in vielenFällen die Interpretation ganzwesentlich.

BetriebsartenDie Messzelle kann in verschiede-nen Messmodi betrieben werden.Wird ohne merkliche Druckspan-nung gemessen, spricht man vonDilatometrie.Unter statischer Druck-, Zug- oderBiegespannung kann sich dieProbe während der Messungdeformieren (TMA-Modus). Im DLTMA-Modus ändert die Kraftperiodisch während der Messung.Damit gewinnen Sie Hinweise zumelastischen Verhalten der Probe.

Parallelführung des mechani-schen AnregungssystemsEin zentraler Punkt bei der TMA-Messzelle ist die Parallelführungder Messsonde. Dies setzt eineäusserst präzise Mechanik voraus,welche auf der Waagentechnologiebasiert.Dank dieser Parallelführung kannsich die Messsonde ohne Rei-bungskräfte auf und ab bewegen.

Grosser Messbereich und hohe Auflösung Für den ganzen Messbereich von± 5 mm stehen Ihnen 1 000 000Punkte zur Verfügung. Das bedeu-tet, dass kleine und grosse Proben(maximal 20 mm) ohne Bereichs-umschaltung mit 10 nm Auflösunggemessen werden können.

Definierte Atmosphäre dank gasdichter MesszelleAuf Knopfdruck öffnet sich der Pro-benraum. Danach sind Proben-träger und Messsonde von drei Sei-ten zugänglich.Die dichte Messzelle kann evakuiertund mit einem definierten Gas

8 Reaktivgaskapillare9 Messsonde

10 Dichtungen11 Thermostatisierter Zellenraum12 Kraftgenerator13 Längensensor (LVDT)

14 Biegelager der Parallelführung15 Justiergewicht16 Schutzgaseinlass17 Reaktivgaseinlass18 Vakuum- oder Spülgasanschluss19 Wasserkühlung

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DSC

TMA

TGA

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Mehr Möglichkeiten, Optionen und Zubehör

Modular heisst jederzeit ausbaubar

Analyse der Zersetzungsproduktemit EGA (Evolved Gas Analysis)Die TMA/SDTA84O-Messzelle kannmit einem Massenspektrometeroder einem FTIR gekoppelt werden.Mit dieser Zusatzinformation ist einesichere und eindeutige Interpretationder Messkurve möglich.

Strom sparenDa das Messsystem vielleicht nichtdauernd im Einsatz ist, möchteman der Umwelt zuliebe nach derMessung externe Geräte ausschal-ten. Dies wird mit einem Netzaus-gang realisiert, welcher metho-dengesteuert ein- und ausgeschaltetwerden kann. Nebst diesem Netz-ausgang kann auch die Ofenhei-zung ausgeschaltet werden. Sogeht das Modul in einen Strom-sparzustand über. Erst durch dasnächste Experiment wird dieserZustand wieder aufgehoben.

Zukunftssichere InvestitionenSie beginnen mit der Gerätekon-fi-guration, die Ihren momentanenBedürfnissen entspricht. Die Er-weiterung mit einer Option oderande-rem Zubehör, zum Beispielfür die automatische Gasschaltung,ist auch später noch möglich.

Steuerung externer GeräteExterne Geräte sind einfach andas Messmodul anzuschliessen.Mit der entsprechenden Peripherie-steuerkarte lassen sie sich leichtdurch das Programm gesteuert starten und stoppen.

Computersteuerung Der ganze Messablauf kann mitwenigen Befehlen auf dem Rechnererstellt werden. Ergänzungen undÄnderungen sind dort sehr einfacheinzugeben. Gleichzeitig prüft dasProgramm die Eingaben auf ihreRichtigkeit. Alle erzeugten Datenwerden automatisch in einer Daten-bank gespeichert und stehen zuDokumentationszwecken immer zurVerfügung, auch noch nach Jahren.Eine grosse Anzahl von Software-optionen wird Ihnen die Arbeiterleichtern oder sogar zu einem guten Teil abnehmen.Auf der Stufe der höchsten Automa-tisierung werden Messung, Aus-wertung und Resultatbeurteilungbis hin zum Ausdruck automatischdurch das System ausgeführt.

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Messsonden und Probenhalter aus QuarzglasFolgende 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• BiegevorrichtungSie können sowohl die Messsonden als auch die Probenhalter sehr einfach austauschen.

Applikationsunterlagen helfen Ihnenunser Know-how in zeitgemässeProblemlösungen umzusetzen.

Programmierbare GasschaltungDer automatische Betrieb kannsinnvoll mit den Gaskontrollernunterstützt werden. Je nach Kon-trollertyp können ein Kanal oderzwei getrennte Kanäle über dieSoftware ein- und ausgeschaltetwerden. Die Gaskontroller messenden Durchfluss. Abweichungenwerden registriert und auf derMesskurve zur Anzeige gebracht.

Schutzglas

Reaktivgas

Spülgas

Durchflussmesser

Rotameter

elektrisches Gasventil (On/Off)

manuelles Gasventil

TS0800 GC

TS0800 GC1

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Beispiele aus der Praxis

Thermomechanische Analyse für einen breiten Anwendungsbereich

Die vielfältigen Einsatzmöglich-keiten der TMA sind durch denweiten Temperatur- und Druck-/Zugspannunsgbereich sowie durcheinfache Probenvorbereitung und-handhabung gegeben. Seien eshauchdünne Schichten, dickereProbenzylinder, Fäden, Platten,Ein-kristalle, weiche oder harte Polyme-re, die thermomechanische Analyse liefert aussagekräftige Informationenin kurzer Zeit.

Proben unter vernachlässigbarer Druckspan-nung ergeben Ausdehnungskurven, aus derenSteigung der lineare Ausdehnungskoeffizientbestimmt werden kann. Vorbedingungen fürgenaue Resultate sind eine nicht zu hoheHeizrate (< 10 K/min) sowie die Blindkur-vensubtraktion. Besonders interessant sindStoffe mit ungleichförmiger Wärmeausdeh-nung, wie z.B. das im Präzisionsapparatebauverwendete Invar mit 36 % Nickel, welchessich im Bereich der Raumtemperatur prak-tisch nicht ausdehnt. Duranglas hat – wie alleMineralgläser – einen sehr niedrigen Ausdeh-nungskoeffizienten, welcher allerdings beimGlasübergang stark ansteigt. Der Quarzkristalldehnt sich entlang seiner c-Achse bis zurFest-fest-Umwandlung bei 575 °C aus, umanschliessend zu schrumpfen.

Aus den Glas-Epoxid-Verbundwerkstoffensind ca. 5mal 5 mm grosse Prüflingegeschnitten worden, um sie im TMA in der z-Achse mit 20 K/min untersuchen zukönnen. Zum Schutz des Probenträgers wird der Prüfling auf eine dünne Aluminiumfoliegelegt. Die Messkraft von 0,10 N verteilt sich dank aufgelegter Quarzglasscheibegleichmässig auf die ganze Probe.Beim Glasübergang nimmt die Steigung der TMA-Kurve (oder der Ausdehnungskoeffi-zient) sprunghaft zu. Die in der Mitte dar-gestellte Kurve zeigt ein geringfügiges Aus-quetschen (3 µm) von Lötzinn bei dessenSchmelzpunkt. Sobald das verwendeteEpoxidharz durch die thermische Zersetzunggasförmige Produkte bildet, wird der Prüflingaufgebläht (Delamination).

Dies kann die Temperatur einesthermischen Effektes sein, bei demdie Probendimension ändert, z.B.die Glasumwandlungstemperatur,die Erweichungstemperatur, dieTemperatur einer Fest-fest-Um-wandlung, die Schmelztemperaturoder die Temperatur des Beginnseiner thermischen Zersetzung(Aufschäumen, Delaminieren).Die hochpräzise Längenmessungin Funktion der Temperatur liefertprobenspezifische Kennzahlenwie z.B.

• Ausdehnungskoeffizient• relative Ausdehnung• relative Schrumpfung• elastisches Rückstellungs-

vermögen• Penetrationstiefe• Quellverhalten• E-Modul

Sehr oft interessiert auch das Ver-halten einer Probe unter speziellerGasatmosphäre, unter Lastwechsel(Druck- oder Biegespannung) so-wie bei verschiedener thermischerVorbehandlung.

Nach DIN 51007 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.

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Vernetztes Polyethylen ist unterhalb seinesKristallitschmelzbereiches so hart wieStandard-PE. Beim Schmelzen nimmt dasVolumen zu, und das Verhalten wird gummi-artig. Die gleichzeitig gemessene SDTA®-Kurve zeigt den endothermen Schmelzpeakbei 135 °C. Die PE-Probe von 2,28 mmDicke ist mit einem Quarzglasscheibchenzugedeckt worden, um die Druckspannunggleichmässig zu verteilen.Oberhalb 140 °C beträgt die elastischeDeformation 2,5 % unter der Wechsellastvon 0,02/0,50 N. Heizrate: 10 K/min. ImGe-gensatz zum vernetzten Polyethylenwürde gewöhnliches PE nach dem Schmel-zen plastisch deformieren und somit aus-gepresst.

Zwei parallele Fäden von je 94 dtex undeiner Länge von 14 mm werden im Faser-zusatz einer Heizrate von 10 K/min unter-worfen. Atmosphäre: trockener Stickstoff100 ml/min. Die Zugkraft steigt von Messungzu Messung wie im Diagramm vermerkt.Während des Abkühlens auf 25 °C wird mit0,10 N belastet. Die letzte Messung gehtbis 200 °C. Mit Zugkräften unter 0,2 Nschrumpfen die Fäden dauernd, währendbei grösseren Kräften die Ausdehnungüberwiegt. Der Wendepunkt bei 80 °C zeigtden Glasübergang an.

Aufgrund unterschiedlicher Anforderungensind die Innen- und Aussenschichten vonGetränkedosen verschieden aufgebaut. EineTMA-Penetrationsmessung mit der 3-mm-Kugelsonde und einer Auflagekraft von 1 Newton kann das Erweichen (Auspressen)beider Seiten gemessen werden. Um dieeinzelne Schicht zu messen, wird die Gegen-schicht vorher mit einem Messer abgetragen.Heizrate: 10 K/min.Die Innenschicht erweicht im Bereich von100 bis 190 °C, die Aussenfarbe bei 120 °C.Die Absolutdarstellung der Probendicke zeigt,wie dünn die Beschichtung einer Getränke-dose heute sein kann.

Aus dem Verbundwerkstoff ist ein 0,80 mmdicker, 2,36 mm breiter und 12 mm langerPrüfling geschnitten worden. Ein U-förmiggebogener 1-mm-Cu-Draht mit einem Abstandder beiden Schenkel von 8,6 mm dient alsAuflage. Die 3-mm-Kugelsonde drückt in dieMitte der Probe. Last: 0,02/0,50 N; Periode:12 s; Heizrate: 10 K/min.Die TMA-Software berechnet aus der blind-kurvenkorrigierten DLTMA-Kurve die Mittelkurvesowie den komplexen Elastizitätsmodul alsTemperaturfunktion (siehe Tabelle). Der Biege-versuch zeigt Glasübergänge hochgefüllterPolymere viel besser als die DDK.

Technische Daten – Qualität – Service

Auf METTLER TOLEDO können Sie sich verlassen

Temperaturangaben:Temperaturbereich Raumtemperatur – 1100 °CTemperaturgenauigkeit ±0,25 °CTemperaturreproduzierbarkeit ±0,15 °CAufheizung Raumtemperatur – 1000 °C 8 minAbkühlung 1000–100 °C 20 minLängenangaben:Maximale Probenlänge 20 mmMessbereich ± 5 mmAuflösung 10 nmRauschen (RMS) 5 nmKraftangaben:Kraftbereich –0,1... 1,0 N in Stufen von 1,3 mNDLTMA-Angaben:Frequenzen < 1 HzSDTA® (Single Differential Thermal Analysis)-Angaben:SDTA®-Auflösung 0,005 °CSDTA®-Rauschen (RMS) 0,01 °CSDTA®-Sensortyp RTyp Thermoelement (Pt-Pt/Rh 13%)SDTA®-Signalzeitkonstante 33 sAbtastung:Abtastrate max. 10 Werte pro SekundeZulassungen:Elektrische Sicherheit S+, CSA, EN61010-1, C22.2 No. 1010.11-92Elektromagnetische Verträglichkeit EN55011 Kl.B, FCC Part 15J, EN50082-2,

Namurempfehlung NE 21/1993Rückwirkungen in Stromversorgungsnetzen EN 61000-3-2, EN61000-3-3Konformitätszeichen CE

Verlangen Sie unsere Produkt-informationen zum ThemaMaterialcharakterisierungZur Bestimmung von thermischenKennzahlen wie Schmelz-, Siede-,Tropf- und Trübungspunkt bieten wireine grosse Auswahl von System-kombinationen. VerschiedeneMessmodule (DSC, TGA, TMA, TOA) und Software für die thermischeAnalyse stehen zur Verfügung.

UserComInformiert Sie regelmässig über TA-Tips, Neuheiten und Applikationen.

QualitätszertifikatEntwicklung, Produktion und Prüfung nach ISO9001.

Service weltweitUnser dichtes Servicenetz, das zu den besten der Welt gehört, sorgtfür die maximale Verfügbarkeit und Lebensdauer Ihres Produktes.

Jetzt auch auf dem InternetNeuigkeiten und wichtige Informationen über unsere Produkte undApplikationen sowie über unsere Firma erhalten Sie schnell undübersichtlich auf http: //www.mt.com

Unserer Umwelt zuliebe.Diese Broschüre ist auf chlorfrei hergestelltem Recyclingpapiergedruckt.

Technische Änderungen vorbehalten© 12/97 Mettler-Toledo GmbH, Printed in Switzerland 51724973MCG MarCom Greifensee

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