TA仪器，助力复合材料研究

纤维复合材料通常通过模塑或挤出方法形成*终部件，对热稳定性有一定要求，因此开发了短纤维增强复合材料来增强热稳定性。然而，由于缺乏对材料特性了解和数据支持，导致处理不当；在操作过程中产生的材料退化不仅增加了成本，而且降低了部件的质量。Kazi Md Masum Billah用短碳纤维(ABS/CF)和玻璃纤维(ABS/GF)填充的复合ABS和纯ABS和进行了研究和热力学表征，通过TA热分析仪器收集大量数据可用于在不降低材料性能的情况下加工，并在未来实现高质量的零件。还通过热重分析研究了其降解行为；通过差示扫描量热法(DSC)分析玻璃化转变温度(Tg)和比热来了解纯材料和复合材料的散热情况。虽然DSC测得的Tg没有显著差异，但动态力学分析表明，由于聚合物链迁移受阻，ABS/CF中的Tg升高。此外,ABS/CF和ABS/GF的机械刚度比纯ABS分别提高了272%和84%。热力学分析表明：ABS/CF在转变温度前后的变形行为，表明ABS/CF在高温下保持形状的热稳定性*，其次是ABS/GF和纯ABS。此研究结果可用于大型制粒机的建模和开发工艺参考。

研究内容

研究使用了三种不同的材料，纯ABS, 另外两种材料为短CF增强ABS(ABS/CF)和短GF增强ABS (ABS/GF)，短CF和GF的长度在50-500μm范围内。

图1.ABS和增强复合材料 (a)纯ABS，(b) ABS/CF，(c) ABS/GF。

测试方法

热重分析(TGA)用TA TGA 55进行测试。TGA扫描在室温到800°C下进行，加热速率为10°C/min，根据ASTM标准E1131进行测试。在20 psi氮气下，样品吹扫为60 mL/min，平衡吹扫为40mL/min。将重量在3-5 mg范围内的样品置于坩埚中，并根据温度的变化进行降解;它们的质量损失由TGA 55的TRIOS软件记录下来。

用差示扫描量热法(DSC)测试样品的玻璃化转变(Tg)、熔融(Tm)和比热(Cp)。使用TA DSC 250按照ASTM D3418进行测试。*初，温度在25°C下平衡，然后等温保持5分钟。之后，温度以5°C/min的速率从25°C上升到200°C。根据TGA分析，为避免样品在DSC试验箱内降解，DSC试验温度选择为200℃，采用TRIOS软件记录时间、温度和热流，采样率为10hz。此外，表征比热(Cp)，升温温度分别为5、10和20°C/min。

TA TGA 55                                                                                                       TA DSC 25

实验结果

采用热重分析(TGA)研究了纤维含量对ABS复合材料的影响。图2为三种材料的的TGA热像图。观察到两个主要的失重阶段。*阶段开始于300℃，在450℃左右结束，对应于ABS聚合物的结构分解。第二阶段开始于450°C左右，在550°C左右结束，这表明残留物的燃烧。Suzuki等人于1995年解释了ABS的两步降解，通过TGA和FTIR测量相结合得出结论，丁二烯在340℃开始降解，苯乙烯在350℃降解，单体丙烯腈在400℃开始降解。随着ABS中纤维含量的增加，降解或分解的步骤并没有改变，这就产生一个问题:在ABS基体中，短纤维对热稳定性的贡献是什么?在材料制造中，材料的热稳定性，结合形状保持和扩散，对于获得所需的打印物体分辨率非常重要。

图2. ABS和复合材料的热重分析图。

随后，又进行了DSC测试研究了玻璃化转变(Tg)和熔化温度(Tm)等热性能。图3为ABS及ABS基短纤维增强复合材料DSC测试的热像图。纯ABS在107℃时有一个转变，称为玻璃化转变温度，代表从玻璃相到橡胶相的转变。在每条纤维增强复合材料曲线中可以看到两个明显的转变;107℃左右的跃迁代表苯乙烯-丙烯腈共聚物(SAN)的Tg，其次是140℃左右的第二个吸热峰。由于ABS是无定形的，所以没有确定的熔化温度(Tm)。而在140°C左右的吸热峰则表示混合SAN和丁二烯共聚物的加工材料的熔化。

在ABS基体中加入CF和GF纤维对聚合物链迁移率的影响较小。CF基ABS和GF基ABS在106°C和105°C时的Tg分别略高于104°C (图3(b))。剪断的纤维有助于通过在基体内排列的纤维限制聚合物的链迁移率;因此，在相对较高的温度下，基体材料从玻璃相转变为橡胶相。除了排列纤维外，增强纤维的热导率也对Tg有影响。在CF存在的情况下，由于基体材料内的导电纤维，链迁移率的降低，从而增加Tg。另外每种材料的比热(Cp)通过三次不同的温度扫描来确定。表1为80℃时计算的比热值。CF基ABS和GF基ABS相对于纯ABS的高散热量也可以归因于Cp。其中ABS/CF的Cp值*，其次是ABS/GF和纯ABS。

图3. ABS与ABS基复合材料的 (a)温度扫描量热图(b)玻璃化转变温度比较

表1. 纯ABS和纤维增强ABS在80℃时的比热(Cp)值

随后研究人员又利用TA进行了热机械分析（TA TMA Q400）和动态热机械分析（TA DMA 850）并得出以下结论：

1）DMA表征表明，纤维填充ABS的散热、粘弹性和玻璃化转变等温度相关性能得到改善，ABS/CF的刚度值较高表明其具有较高的散热能力和高粘性，因此需要相对较高的加工温度。

2）TMA结果反映了平行和垂直于纤维方向的变形行为。挤压方向取向对CTE值有显著影响。在TMA热像图中，在玻璃化过渡区前后出现了两种不同的变形。在纯ABS的情况下，转变前的变形CTE值明显较小，而转变后的变形CTE值较大，这表明纤维降低CTE的必要性和重要性。

以上研究都是都过TA热分析仪器进行分析，通过一系列热力学表征了解复合材料的性能，优化复合材料参数。另外，TA仪器还包含流变、同步热、微量热等产品线，涵盖了广泛的应用领域，可实现行业*的灵敏度和分辨率，以及*的样品环境相互作用。而 One-Touch-Away 界面更直观方便，给予用户新体验，助力您的材料科学研究。

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文章信息：https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2214860420306710?via%3Dihub