典型案例

TGA、DSC在PET薄膜老化机理中的应用

摘要:本文以某PET薄膜为例,采用DSC、TGA分别测试其经过湿热老化前后的热学性能。通过比较老化前后该PET薄膜的玻璃化转变温度、熔点及热裂解温度等热学性能,从而探讨该PET薄膜湿热老化的机理。结果表明:经过湿热老化处理后,该PET薄膜的玻璃化转变温度、熔点及热裂解温度相对老化前都降低。

 

关键词:DSC;TGA;PET;熔点;玻璃化转变温度;热裂解温度

 

引言

  随着现代工业的快速发展,PET材料得到了广泛应用,特别是在光伏行业,PET被用于背板结构,起到水气阻隔和电器绝缘的作用,但 PET在湿热环境中易发生降解从而导致脱层、龟裂、气泡和变黄等现象,最终使光伏电池的输出功率降低使用寿命下降。所以采用DSC、TGA测试PET薄膜经湿热老化前后的热学性能,探讨其老化失效的机理,有助于找出提高其耐热性能的方法。

 

设备及测试原理

  采用德国耐驰(NEZSCH)仪器公司出品的差示扫描量热仪DSC214、热重分析仪TG209F3。其中,DSC的测试原理是在程序温度(升/降/恒温及其组合)过程中,测量样品与参考物之间的热流差,以表征所有与热效应有关的物理变化和化学变化。TGA的测试原理是在程序温度(升/降/恒温及其组合)过程中,观察样品的质量随温度或时间的变化过程。

 

应用及分析

一、DSC测试

  分别称取10mg老化前及老化后的PET薄膜,采用氮气环境,气体流量为50ml/min。使样品从80℃开始以20℃/min的速率升温至290℃,在恒温5min消除热历史后以20℃/min降温至80℃,恒温5min,再以20℃/min升温至290℃。 图1为未老化及经湿热老化后的PET膜第二次升温的测试曲线对比图谱,从图中可知,未经老化的PET薄膜的Tg为84.2℃(取中点温度),熔点为248.2℃。经过湿热老化后的PET薄膜的Tg为82.8℃,熔点为245.4℃。老化后的PET薄膜的玻璃化转变温度及熔点相对未老化时降低了1.4℃和2.8℃。分析认为,由于PET的湿热老化过程主要是PET分子链在湿热条件下发生水解及相应聚集态变化的过程。PET主链上的酯键是聚酯发生湿热老化的基因,当有水分存在时,PET分子链端活泼的羧基将诱发和加速酯键的水解过程,而温度的升高则会进一步的加速此过程。随着温度和湿度的提高,PET的非晶部分的大分子链中,越来越多的酯键水解,端羧基含量增加,促进了PET大分子的结晶,同时PET分子量逐渐降低,导致其分子链段蠕动更加容易,更易结晶,结晶度也随之升高。从而使得PET在经湿热老化后,其Tg和熔点都降低了。

 

图1.PET薄膜样品湿热老化前后的DSC测试曲线对比图谱

 

二、热失重测试

  分别称取15mg老化前及老化后的PET薄膜,采用氮气环境,气体流量为20ml/min,使样品从常温开始以10℃/min的速率升温至800℃。图2为未老化及经湿热老化后的PET薄膜TGA测试曲线对比图谱,从图中可知,该PET薄膜在老化前后的热裂解温度从423.8℃降低到413.6℃,这与老化后PET薄膜表现出更低的Tg及熔点的结果相一致。分析认为,在老化过程中,水对PET的刻蚀和溶剂化作用,PET的结晶度逐渐升高,其表面微孔和龟裂增加,分子间作用力下降,而且无定形区域的大分子链随着其分子量的降低而变得更加容易蠕动,从而降低了该PET薄膜的热分解性能。

 

图2.PET薄膜样品湿热老化前后的TGA测试曲线对比图谱

 

结论

  通过采用DSC、TGA测试经过湿热老化处理前后的PET薄膜的相关热性能,发现经过湿热老化处理后,该PET薄膜的玻璃化转变温度、熔点及热裂解温度相对老化前都降低了。分析认为,PET分子链在湿热条件下发生水解,促进分子链的各种松弛行为以及分子间作用力下降可能是导致该现象的主要原因。

 

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