材料测试:对多面手的需要


作者:Michael P. Sepe公司 Mike Sepe 日期:2017/09/01 来源:PT《现代塑料》

1986年,当我启动我的第一家测试实验室时,我是当时第一个也是唯一的员工。这是一段非常宝贵的经历,因为这意味着我履行了实验室中所要求的全部职责:安装设备、学习软件、制定试验方法、制作样品、运行试验、分析数据、撰写报告以及维护设备等岗位职责说明中的所有部分,我从未想过还会有其他方式。

后来有一天,我与一家外部机构合作,做一些我不能做的测试。我注意到了原始数据中的一个异常,并联系了项目工程师,要求调用文件来检查这个异常情况。到了下午晚些时候,该项目工程师向我解释,为了访问数据,他需要进入设备的软件程序,而这必须要等到第二天早上负责操作这一设备的技术人员进来后才能做到。

我惊呆了:一位负责对仪器的结果进行审查和报告的工程师,基本上不能打开机器,这对我来说是很陌生的,同时也有点令人不安。但是,由于多年来与大量的老牌机构合作,所以我意识到这是一种典型的现象——实验室中的职能已经被划分了:技术人员操作设备并为项目工程师提供原始结果,测试方法可以由高度熟练的化学师或机械工程师来制定,然后交给技术人员运行测试,但是,实际样品的制备和仪器的运行是技术人员的责任。

有时候,这些职能会被非常狭窄地细分。我在20世纪90年代初参观过一家实验室,他们一名技术人员运行DSC,一名运行TGA,一名运行FT-IR,每个人都只做一项工作,不仅效率非常低,而且也很无聊。显而易见,那家实验室已经关闭了。

今天,在一家典型的实验室中,项目工程师从技术人员那里获得原始数据,并组织成一份报告,该报告应该针对客户提出的任何问题提供一个解决方案,这是报告令人感兴趣之处。解决客户问题,包括确认区分好样本和坏样本的特性。因此,审查原始数据的人应该寻找样品之间的差异,然后才可以与客户观察到的功能或性能上的差异相关联。当制备样品和运行测试的任务交给一组人,而分析由另一组不相干的人来完成时,重要的线索将因机会的增加而被错过。

这里有一个例子,提供各种PE管用于成分评价,来说明一些管子中的局部脆性行为。

PE被填充至一个报道的40%的标称水平,指定的PE密度为0.964 g/cm3。归入热分析这一总范畴的两个测试在表征一种填充的半结晶聚合物上是必不可少的。差示扫描量热法(DSC)通过测量聚合物熔融的温度范围和与熔融过程相关的能量,被用来评估聚合物的组成和结晶度。另一种技术是热重分析(TGA),它是以受控的速率加热样品并监测材料分解和失去质量方式的一种方法。这种情况发生时的温度和速率,以及在试验结束时所留下的材料,提供了有关聚合物情况的额外信息,并对材料中的无机含量进行了量化。这两个测试提供的信息,直接关系到用该材料制成部件的性能。

图1和图2显示了取自两种管子样品的DSC扫描,一个被认为是好的样品,另一个表现出局部脆性行为。这两个样品的结果显示了一个剧烈的熔融事件,峰值接近135℃,可对比的熔解热值在124~128 J/g之间。较高的熔解热与脆性样品相关,指出这点作为一个关键数据点可能是诱人的,因为较高的熔解热会和较高的结晶度相关。这反过来会导致材料具有更高的强度和刚度,但韧性较低。但有经验的分析师知道,这些数值远低于正常的HDPE,并且这一数值低的原因是因为填料的存在。该填料是无机的,因此不会经历聚合物的相变方式。

图1 这里显示的是取自两种管子样品的DSC扫描,一种被认为是好的,另一种表现出局部脆性行为。这两个样品的结果显示了一个剧烈的熔融事件,峰值接近135℃,可比的熔解热数值在124~128 J/g之间

图2 这是一个局部脆性聚乙烯管的DSC扫描,显示了一个剧烈的熔融事件,峰值接近135℃,可比的熔解热在124~ 128 J/g之间

但是,由于熔解热是按照整个样品单位质量的能量给定,所以填料的存在稀释了这个值,并且与混合物中填料的用量成正比。由于规定的标称填料含量为40%,所以我们可以很容易地计算出HDPE本身的熔解热略高于200 J/g,这个值更符合聚合物的规定密度。此外,由于填料的含量影响着熔解热,所以这两个样品之间的小差异可能是由于填料含量的小波动引起的。因此,在我们获得TGA结果之前,该图是不完全的。

这些都在图3和图4中体现出来。它们表明,重量损失和失重率是温度的函数。在好的样品中,PE分解,留下不可燃的灰分含量超过43%,这相当接近40%无机填料的标称要求。然而,脆性管子的结果显示,填料含量超过78%,这应该立即引起分析人员的注意。我认为,当进行测试的人也是评估数据的人时,对这一发现的影响是很好理解的。但是,最初的结果往往是简单的传递,对于这个发现,没有给予适当的关注,这些点就没有连接起来。

图3 这些显示了作为温度函数的重量损失和失重率。在好的样品中,PE分解,留下超过43%的不可燃灰分,这相当接近于标称的填料要求。然而,脆性管子的结果显示了填料含量超过78%

图4 脆性管子的结果显示了填料含量超过78%

首先,几乎是标称要求一倍的填料含量与所观察到的脆性行为有一个潜在的重要联系。此外,通过TGA发现的高填料含量与DSC结果没有很好的相关性。如果DSC样品也有高含量的填料,则熔解热会低很多,因为样品中的聚乙烯会少很多。样品之间DSC结果相一致和TGA样品不相一致的事实表明,高的填料含量是管子内的一个局部条件,不是被取样的整个批次或者整个单个部件的组分上的偏差,它可能表示混合物中较差的均匀性。

验证这个结果要求更多的测试,最少再次进行TGA测试,以及理想情况下做一个灰分测试,该测试允许对更大的样本进行评价。但是首先必须很好地理解结果,以便于订购这些测试,能完成项目。不幸的是,在许多情况下,这些结果只是简单地被写成报告,而没有突出异常的情况以及它们对问题的潜在意义。如果客户没有分析测试的背景,通常都是这种情况,那么这个问题的答案将会被忽视,即使它在数据中是显而易见的。

 

关于作者

Mike Sepe是一名独立的全球材料和加工顾问,拥有40多年的塑料行业经验,能帮助客户进行材料选择、可制造性设计、工艺优化、故障诊断和失效分析。Michael P. Sepe公司总部设在美国亚利桑那州塞多纳。