纳米级热分析（纳米TA）以确定多色聚合物的热性能

诸如差示扫描量热法（DSC）和调制温度DSC（MDSC），热机械分析（TMA），热重分析（TGA）和动态机械分析（DMA）的热技术是探明用于表征聚合物组成和形态的方法。

通常可以通过参考材料的特性转变温度和热稳定性来识别和量化材料。亚博网站下载然而，传统热工技术的一个严重限制是，它们只能给出样本平均响应，不能提供关于样本上或样本内特定特征的信息。

例如，DSC测量可以表明不止一个相的存在，但该方法通常不能提供有关相的尺寸或分布的任何信息。这对聚合物共混物(共混物的形态对建立其材料性能至关重要)、涂层(凝胶结构等缺陷会严重影响其性能)和复合材料领域的科学家尤其有影响。

要解决这个问题，请阅读等人。开发了局部热分析（LTA）技术^［1］使用热探针对样本进行非常局部的加热以获得局部热响应，而不是对整个样本进行加热以获得样本平均响应。直到伊利诺伊大学厄本香槟分校的William King教授在制造用于原子力显微镜(AFM)的纳米级热探针方面取得突破，这种方法才被限制在微米级别的分辨率^[2]．这些探头促进了局部热分析，以与AFM一起获得亚100nm分辨率，并导致来自Anasys仪器的纳米Ta技术。

Nano-Ta是LTA方法，其集成了AFM的高空间分辨率成像能力，其能够在具有Sub-100nm的空间分辨率的情况下实现材料的热行为的能力。亚博网站下载为了实现这一点，传统的AFM尖端被具有嵌入式微型加热器的特殊纳米TA探针代替，并由专门设计的纳米TA软件和硬件控制。

AFM使表面能够以纳米级分辨率通过其标准成像模式可视化，这允许用户选择用于检查表面的热特性的空间位置。然后，用户通过探针尖端施加热量并测量热机械响应来获取该信息。在聚合物和药物领域的亚100nm lta应用的文献中存在许多例子。^[3-6]．

对于纳米ta技术，一个反复考虑的问题是它与本体热分析的关系。一个可能的问题是，AFM探针尺寸在纳米ta模式下产生的接触压力约为10mpa，比体积接触压力高两个数量级。蓝玉。此外，探测器更大的接触半径提出了与体积测量的可追溯性概念有关的问题。

这并不意味着批量和局部测量将或应该同意，因为纳米级的热效应可以具有自己的动态。以便了解这些方面，已经完成了最近的工作来了解散装技术与纳米TA测量之间的相关性，本文审查了结果。（本文首次发布为2007年11月的美国实验室问题的特色文章，本文已从该文件中摘录出版商的许可。）

实验装置

采用Veeco多模原子力显微镜进行了实验Anasys仪器纳米ta模块和Anasys纳米级热探针。

使用攻丝模式AFM记录图像。呈现的纳米Ta数据是探针悬臂偏转（同时与样品表面接触）绘制探针尖端温度。在尖端下方的材料软化期间发生的玻璃过渡或熔化等事件产生悬臂的向下偏转。以便验证测试的感兴趣点，在执行温度斜坡后经常记录图像。

结果与讨论

图1显示了这些半晶体材料（左）和额外的无定形或热固性系统（右）的加热速率依赖性偏转曲线。亚博网站下载图1中的曲线显示悬臂的偏转，因为探针下面的表面膨胀，直到通过过渡的接触压力下的材料产量。

图中的所有曲线都是3-5测量的平均值。加热速率跨越两个数量级，从0.1°C /秒（桥接典型TMA和DSC速率）到10°C /秒。探头的小型热量使得高加热速率（高达10,000°C /秒）可接近。总的来说，结晶材料具有相对不变的加热速率的垂直，而非晶材料显亚博网站下载示出更大的速率依赖性，因为在较高速率下持续到更高的温度。这与无定形材料的玻璃过渡或软化预期。

图1。半晶系(左)和非晶系(右)的偏转曲线。亚博网站下载

在图2A中，该图提供了在三种加热速率下获取的LTA开始测量的最小二乘拟合，以在10℃/分钟中获得的DSC发作值。所有配合都很好，相关系数大于0.99。

与DSC发作测量相比，LTA测量倾向于在所有速率下具有正偏移。使用斜率和最小偏移标准，LTA至DSC的理想相关性用于以最低加热速率，0.1°C /秒的最低加热速率获取的起始。以类似的方式，在图2B中，将LTA结果与TMA开始测量进行比较。

该图提供了三种速率下LTA起始测量值与5°C /min下TMA起始值的最小二乘拟合。同样，拟合很好，相关系数超过0.96。相对于5°C/min时的TMA起始测量，LTA测量在所有速率上都趋于负偏移。利用斜率和最小偏置原理，LTA和TMA的理想相关性是在1°C/ s的升温速率下获得的。从数据中可以看出，bulk方法与LTA方法的相关性较好。LTA数据与散装技术相比的偏移表明LTA反应可能有一些更微妙的东西。

在DSC的情况下，LTA似乎在比DSC更高的温度下反应。这可能是因为物料中热流的性质，因为从尖端与环境中来自尖端。LED LTA加热速率显然更接近散装DSC发作温度。对于TMA，LTA希望在略低于TMA的温度下进行响应。

这可能源于接触压力的变化和/或偏转灵敏度的提高。对于这两种抵消还需要进一步的研究。其绝对值有明显差异，但没有超出TMA和DSC两种标准体积法的变化范围。

图2。a）与DSC B）与TMA的比较。

结论

研究人员使用不同的实验条件与传统的热分析方法和局部纳米热分析进行了不同的实验条件比较了各种均匀聚合物样品上收集的数据。该研究表明纳米级和散装热分析之间具有极高的相关性。

有关完整的结果，请下载白皮书全文

致谢

作者对Dow Chemical Company和美国实验室杂志表示感谢，以便许可允许在2007年11月发表的文章中摘录部分。

参考

1.哈米克，一个。读，m ;;Pollock，H.M .;歌，m .;罗斯顿，D.J.使用小型化电阻探针局部热分析。Rev. SCI。instr。1996,67,4268-74。

2.国王，W.P.;肯尼，k;Goodson，K;十字架，g;绝佳，米;杜格，u;Rothuizen，H;啤酒，g;Vettiger，P.原子力显微镜悬臂组合热机械数据写入和阅读。 Appl. Phys. Lett. 2001, 78, 1300–2.

3. HARDING，L .;国王，W.P;克雷格，d.q.m;读。局部热机械分析和加热尖端脉冲模式AFM的部分无定形材料的M.纳米级成像。亚博网站下载药。res。（印刷机），2007年。

4.纳尔逊，B.A .;国王，W.P.纳米级空间分辨率使用加热探针提示热分析。科学仪器审查（在虚拟纳米科技和纳米技术第15,2007），78,23,702中重新发布在线。亚博老虎机网登录

5.尼尔森，B.A ;;国王，W.P.温度校准加热硅原子力显微镜显微镜悬臂。传感器和执行器A，140,51-59,2007。

6. Germinario，L​​。聚合物，薄膜和涂层的纳米热分析。被邀请的纸张，介绍了显微镜和微分析会议，劳德代尔堡，佛罗里达州，2007年8月5日。

此信息已被源，审查和改编自Bruker纳米表面提供的材料，他已经获得了Anasys仪器。亚博网站下载有关此来源的更多信息，请访问力量纳米表面。