섬유화학 - 유리전이온도 측정방법

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섬유화학 - 유리전이온도 측정방법에 대한 보고서 자료입니다.

본문내용

의한 dilatometric 측정 결과로써 팽창성(선형팽창계수, CTE; Coefficient of Linear Thermal Expansion), 유리전이(glass transition), 재료의 수축, 용적변화(volumetric changes)등의 다형성변형(polymophic deformation)에 대한 연구를 할 수 있다.
TMA 측정으로 알 수 있는 결과
Thermal Expansion
Glass transition, softening
Phase transitions(solid-liquid, solid-solid)
Melting point
Polymorphism
Thermal stability
Young's modulus(dynamic load 필요)
TMA Diagrams
그림 1. 고분자의 TMA curve(under low comprehensive stress): 1. 유리전이 이전의 팽창, 2. 유리전이(곡선의 기울기 변화에 해당), 3. 유리전이 후의 팽창, 4. plastic deformation
Dynamic Methods (동적인 방법)
- Dynamic Mechanical Analyzer (DMA, DMTA)
DMA(Dynamic Mechanical Analyzer)- 진동하는 외력을 가하였을 때 대응하여 발생하는 물질의 변형을 온도에 따라 측정하는 것으로 Dynamic한 탄성률, 손실탄성률 또는 내부 마찰력 등을 구할 수 있습니다.
고분자의 특징을 DMA 측정을 통하여 조사하면 고분자의 물리화학적 구조 및 성질을 알 수 있을 뿐만 아니라 가하여진 변형 조건하에 어떠한 성질을 나타내는 가를 알 수 있습니다.
- E’' = 저장에너지, E”= 손실에너지(충격흡수 : 열로 발산)
- E* = E’+ i E”
- tan δ= E”E’E
DMA 측정
DMA 곡선
Torsional Braid Analysis
P(oscillation) ∝1/frequency
1/P2 ∝ stiffness ∝ modulus
Thermogravimetric Analysis
(TGA, 열중량분석기)
TGA(Thermogravimetric analyzer)의 측정 원리
열중량분석기(TGA)는 시료에 온도프로그램을 가하여 시료의 질량변화(changes in mass)를 시간이나 온도의 함수로써 측정한다. 재료의 질량손실은 증발(vaporization)이나 가스상 산물을 생성하는 화학반응(chemical reaction)에 의해 발생된다. 특히 TGA 실험 시 재료는 가스상 분위기에 민감하여 사용된 purge gas 가 불활성(N2, He, Ar)이 아닌 경우 시료는 가스(O2, air)와 반응하여 예를 들면 산화분해(oxidation decomposition)거동과 관련해 산소를 purge 하여 분해거동을 연구하는데 이용할 수 있다.
질량변화는 매우 감도있는 전자저울(electronic balance)에 의해 연속적으로 측정된다. 따라서 열중량분석시는 전자저울의 기능이 절대적으로 중요하다 할 수 있으므로 사용 시나 구매 시 기기의 전자저울에 유의해야 할 것이다. 참고로 TGA 에 사용된 전자저울은 수평한(horizontal) 타입과 수직(vertical) 타입으로 구분된다. TGA 측정 시 발생될 수 있는 buoayncy현상이나 drag force 에 의한 간섭은 blank curve subtraction 으로 보정함으로써 더욱 정확한 데이터를 얻을 수 있다. Buoyance effect 는 온도상승과 함께 기체의 밀도가 낮아져 시료의 질량이 증가되어 보이는 현상이다.
그림 1. Horizontal TGA diagram
그림 2. Vertical TGA diagram
일반적으로 TGA 는 분활성환경(inert atmosphere)에서 분해온도와 분해 반응과정에 대한 정보뿐만 아니라 공기나 산소환경하에서 연소과정(combustion profile)에 대한 연구가 가능하다. Coupling technique 으로 알려진 EGA(Evolved Gas Analysis)기술은 고분자의 열에 의한 환경적 연구 시 중요한 분석법이다. 즉, TGA 에 Mass Spectrometer(MS)나 Fourier Transform Infrared Spectrometer(FTIR)을 coupling 하여 시료로부터 방출되는 가스를 정성분석하는 것이다. 아울러 TGA 에 DTA 를겸하고 있는 경우 weight change 는 물론 흡열(endothermic)반응과 발열(exothermic)반응을 측정할 수 있다.
열중량 분석은 휘발성 물질(수분, 용매등), 고분자, 카본블랙(carbon black), carbon fiber, 회분(ash), filler(충진제) 등의 함량을 검출하는데 이상적인 조성분석(compositional analysis)법이며, 고분자가 연소되는 온도영역에서는 분해속도(decomposition kinetics)가 고분자마다 서로 다르기 때문에 가치있는 고분자의 정량적 분석이 가능하다.
그림 3. 고분자의 TGA curve: 1. 휘방성분의 증발에 의한 질량손실, 2. pyrolysis, 3. 탄소의 연소(불활성 조건에서 산화조건으로 전환 후), 4. 잔류물(residue)
물질의 조성에 의한 특성은 각각의 weight loss step 의 온도와 구간의 높이(% 또는 ug, mg)로 결정된다. 물이나 잔류용매(residual solvent), 첨가유와 같은 휘발성 물질은 상대적으로 낮은 온도에서 방출된다. 이러한 물질의 제거는 기체압(gas pressure)에 따라 다르다. 낮은 압력(진공상태)에서는 증발이 가속화되어 질량손실이 낮은 온도쪽으로 이동된다.
TGA curve 중 weight loss step 은 DTG(Derivative TG) curve 의 peak 으로 나타낼 수 있으며 DTG curve 의 slope 은 질량손실이나 질량 증가의 속도를 나타낸다.
분해단계의 온도영역은 gas 상 산물이 시료로부터 확산방출되기 쉬운 정도에 영향을 받는다. 즉 반응성 환경(reactive condition)하에서 시료 표면의 기체교환(gas exchange)이 중요하다.

키워드

유리전이온도 측정방법,   시차열분석법,   DTA신호 측정 과정