行业应用 | 借助DSC、TMA与TGA揭示热缩管的非预期特性

差示扫描量热分析(DSC)：

测量管材的热致变化

差示扫描量热仪(DSC)用于测量材料热转变过程中的温度和热流变化。在热缩管的分析中，DSC是识别加热过程中吸热变化的理想工具。

图1：热缩管的DSC曲线

DSC升温测试结果显示样品在50℃和88℃下有非预期的吸热现象，这两个温度都明显低于该管材规格表里的熔点：125℃。第一次升温曲线代表了样品的热历史，用于评估材料“初始”特性。

50℃时的低温吸热峰可能是样品的松弛或恢复过程带来的，而不是熔融现象，因为在第二次升温时该峰没有出现。可以使用调制DSC(MDSC™)(每台TA仪器Discovery DSC均标配)或使用可选的DSC显微镜附件进一步研究这种转变。调制DSC技术通过将可逆(如熔融、热容)与不可逆(如动力学)现象分开来帮助进一步解析。

图2：DSC显微镜附件下的热缩管图片与视频

我们使用DSC显微镜记录了整个升温过程的视频，并每30秒拍摄一次照片。从图像和视频中可以看出，在 80°C 以下时材料仅发生微小变化，而在88°C至103°C之间收缩相对迅速。DSC为热现象研究提供了初步数据，后续的热机械分析(TMA)则进一步表征了这些温度下材料发生的力学变化。

热机械分析(TMA)：

管材如何收缩？

热机械分析仪(TMA)用于在受控环境中，测量样品尺寸随时间、温度和力的变化。在热缩管分析中，TMA对于了解材料的收缩方式和确定其收缩温度尤为重要。

图3：热缩管的TMA曲线

TMA测试结果显示，热缩管在约88°C之前会发生轻微膨胀。大多数材料受热会发生膨胀，这一现象符合预期。随后在88°C时，热缩管开始收缩，尺寸发生急剧变化。

该收缩起始温度与上述DSC分析中检测到的大的吸热峰基本一致。同样，88°C的收缩起始温度低于制造商提供的规格表里的收缩温度：125°C，测试表明材料在125°C左右完成整个收缩过程。结合测试结果，在该示例中，制造商给出的是完全收缩所需的温度，这为用户成功实现导线绝缘提供了指导。

从上述 DSC 图像中可以看出，大部分收缩发生在单一方向上。对于那些因取向不同而表现出不同性能的材料，TMA 具有特别重要的研究价值。对于含有填料或多层结构的材料，可沿不同方向取样，如x、y 或 z方向分别进行测试。这样可以量化材料在不同方向上的膨胀(或收缩)情况。

热重分析(TGA)：

揭示更深层次的材料特性

热重分析仪(TGA)用于测量样品重量变化(损失或增加)以及重量变化速率随温度、时间和气氛的变化。TGA对于检测高温下的热降解尤为有用，有助于确保热缩管的热稳定性。

图4：热缩管的TGA曲线

我们首先采用传统的方法进行TGA重量变化测试：将材料从25°C加热至1000°C时，发现在约325°C时出现重量损失，这表明材料开始分解。该温度远高于热缩管在常规使用中可能接触到的温度。

如果样品是简单的聚烯烃，其重量导数曲线应仅显示为一步失重过程。然而，该测试中TGA重量导数曲线显示存在多个重量变化步骤。这种复杂性表明该管材由多种材料制成。TA仪器Discovery TGA 5500具备极高的灵敏度，使我们能够观察到这种隐藏的材料特性。通过Hi-Res TGA等先进方法，可根据样品重量损失曲线自动调整加热速率，轻松分离重叠的转变过程。

材料工程师可从精确的TGA分析中获益，从而了解材料的降解情况以及看似简单的产品中复杂配方的存在。该热缩管可能含有多种添加剂，例如抗氧化剂、紫外线稳定剂、填料、加工助剂以及与聚烯烃混合的阻燃剂^[1],[2]。材料制造商和工程师利用TGA可量化添加剂含量，并评估这些添加剂对最终使用性能和材料降解的影响。TA仪器Discovery TGA配备两个集成的气体质量流量控制器，可自动在惰性吹扫气体和氧化性吹扫气体之间切换，简化测试流程。

热分析：全面解析热缩管特性

参考资料

致谢

本文由TA仪器的Morgan Ulrich和Jennifer Schott撰写，郭艳霜校对。