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热分析技术在传统汽车材料中的应用点击次数:1108 更新时间:2022-09-19

背景介绍

1886129日,本茨发明了第一辆不需要马来拉动的三轮车,这一天也被认定为汽车的生日。随着时代的发展,电子信息技术越来越多地渗透到汽车电子领域,各个汽车品牌为了提升产品竞争力,正努力用更丰富的设计亮点来迎合客户日益挑剔的需求。在现代的汽车里,我们的生活在路上被延续,汽车变得更像一个移动居室"

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据估计,汽车是由上万种零部件组成的复杂结构交通工具,根据其动力装置、使用条件等不同,汽车具体的构造可以有很大的差别,但总体结构通常由发动机、底盘、车身以及电气系统四大部分组成。

 

传统汽车材料包括热塑性塑料、热固性塑料以及橡胶,他们被广泛应用于汽车的各个部分,像是汽车的内饰件、外饰件、密封件以及轮胎等。热分析技术在这些传统汽车材料中有着丰富的应用,常用于测试材料的玻璃化转变温度、结晶和熔融、固化度、组分含量、蠕变性能以及动态力学性能。

 

接下来就让我们一起看一些具体的测试案例:

 

测试案例

一、鉴定聚合物种类并估算组分含量

PC/ABS合金是由聚碳酸酯(PC)和丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物ABS混合而成的热塑性塑料,它结合了两种材料的优异特性,是常见的汽车内饰件材料,同时也是制造汽车仪表板的理想材料。

 

PCABS共混形成的是相互之间不相容的共混物,其中PCABS都聚集在自己的相内,因此这个共混物能够测得两个玻璃化转变温度(Tg)。由于不同材料的Tg不同,所以我们可以通过测出的Tg来鉴别材料中聚合物的种类PC/ABS中两种组分的含量对材料的性能起到了直接的影响,我们同样可以通过DSC测试对组分含量进行估算。

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在图1的案例中,我们分别用DSC测试了纯的PC以及PC/ABS共混物,通过对曲线的分析,我们发现:PCTg145.7 ℃左右。而PC/ABS共混物,可以测出ABSPC两种组分的Tg,分别为110.3 ℃和142.9 ℃。这两个Tg相较于纯的PC和纯的ABS都向中间温度移动了。另外,根据比热容的改变量,还可以估算PC/ABS中各组分的含量。PC/ABS中的PC在发生Tg前后,比热容变化(delta Cp)为0.182J/g·K,纯PC在发生Tg前后的delta Cp0.285J/g·K,两者相除后计算得到PC的含量大约为64%

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.研究热固性材料的固化度

 

环氧树脂是环氧氯丙烷与双酚A或多元醇的缩聚产物。由于环氧基的化学活性,可用多种含有活泼氢的化合物使其开环,固化交联生成网状结构。它主要作为粘接剂、涂料和轻量化材料应用于汽车行业中。

 

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在图2的案例中,我们对在150度下等温固化不同时间的环氧树脂进行了两次升温的测试,根据一次升温曲线和二次升温曲线,我们可以得到不同的信息。

 

在一次升温曲线上,我们可以看到,随着环氧树脂在150度下等温时间的延长,Tg逐渐提高,而放热的后固化峰逐渐减小。说明等温时间越长,样品固化度越高。在后固化峰上还有一个小的吸热峰,这是交联剂的熔融产生的。即使在150度下等温了140分钟后,还能够看到微弱的放热固化峰,这代表此时样品仍然没有固化*。

 

对这些样品进行第二次升温,此时Tg均为110度,而且都观察不到后固化峰,这说明经过第一次升温之后,样品已经*固化。*固化的样品结构更加稳定,要发生玻璃化转变需要的能量更多,所以Tg比未固化*时更大。如果想让环氧树脂在等温固化过程中尽量*固化,我们可以进一步提高等温固化的温度,或者延长样品的等温固化时间。

 

.测试橡胶中各组分的含量

和其他材料相比,橡胶在使用温度范围内具有高弹性。简单来说,对橡胶施加一定的外力,橡胶可以发生形变,而外力去除后,橡胶又能恢复原状。这使得橡胶有着丰富的应用。在汽车上大家最容易看到的橡胶制品就是轮胎,此外汽车上还有许多各种橡胶材质的配件。

 

为了使橡胶的性能符合使用的需求,常会在橡胶中添加油以及炭黑。其中油能起到增塑以及降低硬度的作用,而炭黑则起到了增加强度、提高耐磨性的作用。我们可以通过TGA来简单快速地测试得到橡胶中各组分的含量。

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对含丙烯腈以及含卤素的橡胶,他们在氮气中分解时会产生裂解碳。用普通的升温程序测试时,裂解碳和添加的炭黑会一起在氧化性气氛下燃烧,导致无法准确得到添加炭黑的含量。由于炭黑的比表面积越大,活性越大,燃烧的也越快,所以我们可以在测试橡胶的时候设置回温段来区分裂解碳和添加碳。发生在较低温度的第一个台阶是裂解碳的分解,发生在较高温度的第二个台阶是添加的炭黑的分解。

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在图3的案例中,我们参考国标GB/T14837.2-2014《橡胶和橡胶制品 热重分析法测定硫化胶和未硫化胶的成分 第2部分:丙烯腈-丁二烯橡胶和卤化丁基橡胶》对含卤素的橡胶进行了测试。在氮气下,温度比较低的时候,发生了挥发分、油类的分解;温度稍高一些的时候,发生了橡胶本体的分解。然后在回温切换成空气后,橡胶本体分解产生的裂解碳先发生了分解,继续升高温度橡胶中的添加炭开始分解。由此能够得到这类橡胶中炭黑的添加量约为10.38%

 

总结

对于汽车行业的客户,可以使用热分析技术来进行各类样品的测试。不同的热分析技术可获得不同的信息,包括样品的玻璃化转变温度、组分种类、组分含量等等,这能够帮助客户高效地完成研发以及品控等工作。


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