열분석(Thermal Analysis)

목차

<열분석>
1. 열분석의 정의와 목적

2. 열분석기의 종류와 그 특징

3. 열분석의 예와 data 해석

본문내용

DTA는 DSC보다 감도가 낮다. SDTA(single DTA)에서는 기준물질이 사용되지 않는다. 기준물질의 온도는 프로그램 온도에 상당하고 시료의 온도는 측정된다. SDTA는 TGA와 TMA, DMA 실험 시 동시에 측정된다. 이 기술은 질량이나 크기 변화를 수반하지 않는 열적 거동을 검출하기 때문에 TGA와 TMA, DMA의 curve를 해석하는데 도움을 준다. 예를 들어 TGA에서 SDTA는 흡열/발열과정을 구별하고 용융과 같은 상전이를 검출하는데 사용된다. 또한 순수한 금속의 용융점을 측정함으로써 TGA의 온도 보정에 사용된다.
DTA curve
1 initial displacement
2 melting
3 exothermic chemical reaction
4) 동적기계분석기(DMA, Dynamic Mechanical Analyzer)
DMA 또는 DMTA(Dynamic Mechanical Thermal Analysis: 동적열기계분석법)는 시료에 주기적으로 force를 변화시키면서 시료의 기계적 동적열특성을 측정하는 기술이다. 통상 이는 시료를 streching 혹은 torsioning함을 의미한다. 어떤 응력을 물질에 가했을 때 응력을 가한 만큼 곧 바로 strain(응력 변형)을 일으키며 완전히 탄성적으로 작용한다. 이 때의 비례상수를 Young's Modulus E라 한다. 다른 한 편으로 어떤 물질은 완전히 점성적이다. 따라서 요구되는 stress는 물질의 점성적 특성에 의해서만 측정된다. 전자의 category는 metal spring, 후자는 wax와 같은 특성에 해당한다.
특별한 고분자에 있어서 대부분의 물질거동은 탄성과 점성 사이에 낀 형태를 보인다. 이를 점탄성적 이라 한다. 어떤 응력이 시료에 가해졌을 때 시료는 이에 따라 작용하지만 응력 변형이 아직 남아 있다. Stress가 주기적이라면 가해진 stress와 결과적인 strain간에는 phase difference가 존재한다고 말할 수 있다. 이 때 phase difference는 시료의 내부 damping에 의해 발생되며 보통 tan δ로 표시되며 δ는 phase shift angle로 표현된다.
DMA는 storage modulus(elastic component)와 loss modulus(viscous component), tanδ(loss factor)에 대한 정보를 제공해준다.
고분자에 대한 E와 tan δ는 온도와 주기적 응력의 파(frequency)에 따라 크게 다르다. 결과적으로 DMA는 고분자의 온도에 따른 열거동에 관한 매우 가치있는 정보를 보여 준다. 특히 damping은 분자구조(chain length, branching등)에 직접 관련이 있기 때문에 이 기술은 분자 정보원이기도 하다.
5) 열기계분석기(TMA, Thermomechanical Analyzer)
TMA(Thermomechanical Analyzer, 열기계분석기)는 시료의 팽창과 수축에 의한 크기변화를 측정하는 기기로써 딜라토미터(dilatometer)를 대체할 수 있다. Dilatometry 측정법은 시료에 대한 하중과 기계적 stress가 매우 작지만 TMA 측정법은 0에 가까운 하중에서부터 수 Newton의 하중을 가하여 시료의 팽창과 수축을 측정한다. 측정시그널은 변위측정자기센서(LVDT; Linear Variable Differential Transformer)를 사용하여 예를 들면, 유리전이전후의 팽창과정에 대해 매우 우수한 분해능을 제공하는 장점이 있다. 아울러 TMA는 온도와 하중의 함수로써 길이변화를 측정하기 때문에 비열변화 또는 엔탈피 변화를 측정하는 DSC보다 thermal effect의 관측이 보다 탁월해 전이현상을 비교 연구하는데 매우 유용하다 할 수 있다.
TMA 측정으로 길이변화, 상대길이변화, 선팽창계수, 유리전이온도 , 팽창/수축/파열 거동, 연화점, 경화거동, 부피팽창, 상전이, 용융점, 다형현상, 열안정성, 탄성도 등을 알수 있다.
▷ TMA와 Dilatometry 비교
- TMA : 일정한 하중과 온도프로그램을 재료에 가하여 재료의 변형(deformation)을 온도의 함수로써 측정하는 기법
- Dilatometry : 가해지는 하중이 거의 없는 상태에서 재료에 온도프로그램을 가하여 온도의 함수로써 재료의 길이변화를 측정하는 기법

3. 열분석의 예와 data 해석
고무에 NR(natural rubber)와 SBR(styrene butadiene rubber)의 고분자 블렌드가 함유된 경우, TGA는 각각의 질량을 분석하는데 효과적이다. 위의 TGA 측정 그림의 DTG(Derivative TG) peak area A1과 A2는 고무의 NR과 SBR 함량을 측정한 것이다.
고무의 조성분석에 유용한 TGA외에도 DSC 역시 고무의 특성을 분석하는데 매우 잘 쓰이는 기술이다. BR(butadiene rubber)과 EPDM(ethylene propylene diene rubber)의 DSC 측정 커브이다.
승온(dynamic heating) 시 폴리에틸렌(PE; Polyethylene)의 산화안정성(oxidative stability) 측정
공기 분위기에서 TGA에 의한 고분자의 안정제 영향 측정(열안정성 또는 난연성 측정)
열분석의 중요한 장점은 물질의 혼합물과 블렌드를 연구할 수 있다는데 있다. 따라서 위의 고무블렌드 조성분석에 이미 언급된 바와 같이 재료의 조성분석이 가능함을 말한다.
PE(polyethylene)는 PP(polypropylene)보다 낮은 온도에서 녹는다. 따라서 상대적인 peak 영역은 블렌드 중 PE의 함량을 검출하는데 사용된다. Melting point가 다른 모든 고분자 블렌드는 이러한 방법으로 분석되며 DSC 기술의 대단한 특징이다.
뿐만아니라 TMA(Thermomechanical Analysis; 열기계분석기)를 이용하면 더욱 훌륭한 결과를 얻을 수 있다. 다음 그림은 PE 코팅지의 분석을 보여 준다. 용융 후 즉시, 코팅은 HDPE임을 알려 주는 것이다. 이 과정으로부터 코팅 두께를 직접 계산할 수 있다.

키워드

열분석,   열분석 정의,   열분석 종류,   열분석 특징,   열분석기 종류,   열분석기 특징,   열분석 목적