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背景介紹

1886年1月29日，本茨發(fā)明了第一輛不需要馬來(lái)拉動(dòng)的三輪車，這一天也被認(rèn)定為汽車的生日。隨著時(shí)代的發(fā)展，電子信息技術(shù)越來(lái)越多地滲透到汽車電子領(lǐng)域，各個(gè)汽車品牌為了提升產(chǎn)品競(jìng)爭(zhēng)力，正努力用更豐富的設(shè)計(jì)亮點(diǎn)來(lái)迎合客戶日益挑剔的需求。在現(xiàn)代的汽車?yán)?，我們的生活在路上被延續(xù)，汽車變得更像一個(gè)“移動(dòng)居室”。

據(jù)估計(jì)，汽車是由上萬(wàn)種零部件組成的復(fù)雜結(jié)構(gòu)交通工具，根據(jù)其動(dòng)力裝置、使用條件等不同，汽車具體的構(gòu)造可以有很大的差別，但總體結(jié)構(gòu)通常由發(fā)動(dòng)機(jī)、底盤、車身以及電氣系統(tǒng)四大部分組成。

傳統(tǒng)汽車材料包括熱塑性塑料、熱固性塑料以及橡膠，他們被廣泛應(yīng)用于汽車的各個(gè)部分，像是汽車的內(nèi)飾件、外飾件、密封件以及輪胎等。熱分析技術(shù)在這些傳統(tǒng)汽車材料中有著豐富的應(yīng)用，常用于測(cè)試材料的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度、結(jié)晶和熔融、固化度、組分含量、蠕變性能以及動(dòng)態(tài)力學(xué)性能。

接下來(lái)就讓我們一起看一些具體的測(cè)試案例：

測(cè)試案例

一、鑒定聚合物種類并估算組分含量

PC/ABS合金是由聚碳酸酯（PC）和丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物（ABS）混合而成的熱塑性塑料，它結(jié)合了兩種材料的優(yōu)異特性，是常見的汽車內(nèi)飾件材料，同時(shí)也是制造汽車儀表板的理想材料。

PC和ABS共混形成的是相互之間不相容的共混物，其中PC和ABS都聚集在自己的相內(nèi)，因此這個(gè)共混物能夠測(cè)得兩個(gè)玻璃化轉(zhuǎn)變溫度（Tg）。由于不同材料的Tg不同，所以我們可以通過測(cè)出的Tg來(lái)鑒別材料中聚合物的種類。PC/ABS中兩種組分的含量對(duì)材料的性能起到了直接的影響，我們同樣可以通過DSC測(cè)試對(duì)組分含量進(jìn)行估算。

在圖1的案例中，我們分別用DSC測(cè)試了純的PC以及PC/ABS共混物，通過對(duì)曲線的分析，我們發(fā)現(xiàn):純PC的Tg在145.7 ℃左右。而PC/ABS共混物，可以測(cè)出ABS和PC兩種組分的Tg，分別為110.3 ℃和142.9 ℃。這兩個(gè)Tg相較于純的PC和純的ABS都向中間溫度移動(dòng)了。另外，根據(jù)比熱容的改變量，還可以估算PC/ABS中各組分的含量。PC/ABS中的PC在發(fā)生Tg前后，比熱容變化（delta Cp）為0.182J/g·K，純PC在發(fā)生Tg前后的delta Cp為0.285J/g·K，兩者相除后計(jì)算得到PC的含量大約為64%。

二.研究熱固性材料的固化度

環(huán)氧樹脂是環(huán)氧氯丙烷與雙酚A或多元醇的縮聚產(chǎn)物。由于環(huán)氧基的化學(xué)活性，可用多種含有活潑氫的化合物使其開環(huán)，固化交聯(lián)生成網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)。它主要作為粘接劑、涂料和輕量化材料應(yīng)用于汽車行業(yè)中。

在圖2的案例中，我們對(duì)在150度下等溫固化不同時(shí)間的環(huán)氧樹脂進(jìn)行了兩次升溫的測(cè)試，根據(jù)一次升溫曲線和二次升溫曲線，我們可以得到不同的信息。

在一次升溫曲線上，我們可以看到，隨著環(huán)氧樹脂在150度下等溫時(shí)間的延長(zhǎng)，Tg逐漸提高，而放熱的后固化峰逐漸減小。說明等溫時(shí)間越長(zhǎng)，樣品固化度越高。在后固化峰上還有一個(gè)小的吸熱峰，這是交聯(lián)劑的熔融產(chǎn)生的。即使在150度下等溫了140分鐘后，還能夠看到微弱的放熱固化峰，這代表此時(shí)樣品仍然沒有固化完全。

對(duì)這些樣品進(jìn)行第二次升溫，此時(shí)Tg均為110度，而且都觀察不到后固化峰，這說明經(jīng)過第一次升溫之后，樣品已經(jīng)完全固化。完全固化的樣品結(jié)構(gòu)更加穩(wěn)定，要發(fā)生玻璃化轉(zhuǎn)變需要的能量更多，所以Tg比未固化完全時(shí)更大。如果想讓環(huán)氧樹脂在等溫固化過程中盡量完全固化，我們可以進(jìn)一步提高等溫固化的溫度，或者延長(zhǎng)樣品的等溫固化時(shí)間。

三.測(cè)試橡膠中各組分的含量

和其他材料相比，橡膠在使用溫度范圍內(nèi)具有高彈性。簡(jiǎn)單來(lái)說，對(duì)橡膠施加一定的外力，橡膠可以發(fā)生形變，而外力去除后，橡膠又能恢復(fù)原狀。這使得橡膠有著豐富的應(yīng)用。在汽車上大家最容易看到的橡膠制品就是輪胎，此外汽車上還有許多各種橡膠材質(zhì)的配件。

為了使橡膠的性能符合使用的需求，常會(huì)在橡膠中添加油以及炭黑。其中油能起到增塑以及降低硬度的作用，而炭黑則起到了增加強(qiáng)度、提高耐磨性的作用。我們可以通過TGA來(lái)簡(jiǎn)單快速地測(cè)試得到橡膠中各組分的含量。

對(duì)含丙烯腈以及含鹵素的橡膠，他們?cè)诘獨(dú)庵蟹纸鈺r(shí)會(huì)產(chǎn)生裂解碳。用普通的升溫程序測(cè)試時(shí)，裂解碳和添加的炭黑會(huì)一起在氧化性氣氛下燃燒，導(dǎo)致無(wú)法準(zhǔn)確得到添加炭黑的含量。由于炭黑的比表面積越大，活性越大，燃燒的也越快，所以我們可以在測(cè)試橡膠的時(shí)候設(shè)置回溫段來(lái)區(qū)分裂解碳和添加碳。發(fā)生在較低溫度的第一個(gè)臺(tái)階是裂解碳的分解，發(fā)生在較高溫度的第二個(gè)臺(tái)階是添加的炭黑的分解。

在圖3的案例中，我們參考國(guó)標(biāo)GB/T14837.2-2014《橡膠和橡膠制品 熱重分析法測(cè)定硫化膠和未硫化膠的成分 第2部分：丙烯腈-丁二烯橡膠和鹵化丁基橡膠》對(duì)含鹵素的橡膠進(jìn)行了測(cè)試。在氮?dú)庀?，溫度比較低的時(shí)候，發(fā)生了揮發(fā)分、油類的分解；溫度稍高一些的時(shí)候，發(fā)生了橡膠本體的分解。然后在回溫切換成空氣后，橡膠本體分解產(chǎn)生的裂解碳先發(fā)生了分解，繼續(xù)升高溫度橡膠中的添加炭開始分解。由此能夠得到這類橡膠中炭黑的添加量約為10.38%。

總結(jié)

對(duì)于汽車行業(yè)的客戶，可以使用熱分析技術(shù)來(lái)進(jìn)行各類樣品的測(cè)試。不同的熱分析技術(shù)可獲得不同的信息，包括樣品的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度、組分種類、組分含量等等，這能夠幫助客戶高效地完成研發(fā)以及品控等工作。