热分析-DMS 热分析应用-高分子镀膜特性分析

由于高分子塑胶材料研究及制程改进，以及各工程塑胶的开发，使得塑胶制品的应用范围日益广泛，同时对产品品质的要求也逐日提高。高分子材料结构特性较一般金属软且质量相对较轻，无论在各行各业成品应用相当广泛，同时为了更加扩大高分子塑胶产品的应用范围，常在塑料产品上镀膜提高导电性、光学特性、耐腐蚀老化或美观等用途，此时也由于奈米技术的日益发展，薄膜制程更多元化，不仅只应用在金属材料上，甚至也可在高分子塑胶材料上镀薄膜提高特性。

聚亞醯胺(Polyimide，PI)是一種具醯亞胺基且有多優良特性的高分子材料，耐熱性、耐化學性及高機械強度，聚亞醯胺樹脂在電子產業應用型態以塗料和薄膜為主，聚亞醯胺塗料及薄膜具有優異的熱安定性及良好的機械、電性性質，一直是高性能材料的應用首選，在業界上對材料要求嚴格的電子IC工業中，PI膜一直處於關鍵材料的地位，如高溫膠帶、軟板、IC鈍化膜、LCD配向膜、漆包線等絕緣材等。聚醯亞胺薄膜除應用在電子材料上，如航太、重機設備及油井等絕緣產業也需要用到。

但涂布在高分子聚合材料上的涂层-PI膜，该如何去评估涂布PI的高分子材料其整体耐热性、耐寒性、相容性、减震阻尼性及加工性质? 我们可透过动态力学分析-DMS(Dynamic mechanical spectrometer)动态热机械分析技术，测量材料在震动频率负荷下的动态模数、力学损耗与温度间的关系。材料受到自然界中力量(Force)、温度(Temperature)以及频率(Frequency)三种环境变化影响而改变其物理特性。施加大小不同的力量及频率于材料时，材料特性都会有所不同；施力频率高相较于施力频率低时，材料要來得更为坚硬，相较之下，温度的变化更为显而易見，因为所有材料都同时拥有黏性(Viscosity)与弹性(Elasticity)的特性，不同材料其特性之差别只在于黏性与弹性的比例有所不同。
 
图一，使用DMS来分析材料会从图谱中得到材料的模数与时间或温度的变化图，Tanδ= E”/ E'比值(损失模數/储存模數)，当材料处于低温时储存模數(E')、损失模數(E”)低，所以Tanδ也低。当材料随着温度开始升高，其性质开始变软，储存模數(E')下降，损失模數(E”)开始升高，所以Tanδ值上升，Tanδ高的材料代表黏性行为较为明显，Tanδ低的材料代表弹性行为较为明显。当Tanδ达到高点时，一般我们定义为样品的Tg 点。

因此在DMS中先得到的數据会是Storage Modulus-E'、Loss Modulus-E”及Tanδ三种资料图，我们再利用此三种數据去发展，求得其他數据，如Complex Modulus(复合模數) 、 Shear Modulus(剪切模數)等。藉由所得數据来判断，我们可以得知材料随温度变化的强度、黏性、弹性、Tg点、耐震效果、材料混煉效果、各种相转变点等。

以下测试实例透过动态热机械分析技术（DMS）来检测橡胶涂布PI后，OK样品与NG样品的差异性，并从结果DMS图谱说明材料的玻璃转移温度变化及Tanδ对塑性、分子结构等变化在动态力学上的性质表现。

备两个同种的橡胶基材并涂布PI，涂布过后依镀膜有无破裂，分为”OK”与”NG”的样品：

1. OK:样品1
2. NG:样品2

测试条件:

温度范围	-150~0℃	升温速率	5℃/min
测试频率	1Hz	静态施力	100mN
測試模式	Tension mode	动态施力	100mN

►图二显示出OK-样品DMS测试图，On set在-123.2℃，Tg分别在-106.9℃及-48.7℃
 
►图三显示出NG-样品DMS测试图，On set在-121.5℃，Tg分别在-103.4℃及-43.6℃
 
将OK及NG样品DMS测试图中比较，可看出玻璃转移温度的差异性，NG样品相较于OK样品，其玻璃转移温度的后偏移非常明显，差异约在3~5℃。尤其是OK-Tg:48.7℃和NG-Tg:43.6℃，都是同种类样品，却可看出NG样品间分子结构问题。玻璃转移温度向高温移动，提升树脂分子间原有作用力，降低分子链柔性，降低聚合物分子链的移动性及聚合物塑性，影响范围包括硬度、软化温度、黏弹模数、脆化温度、伸长率及柔韧性等。同时也会造成软化温度上升，进一步降低塑化性能，降低其镀膜加工性，较容易造成膜层破裂及机械性质下降。

另外也可从图四Tanδ比较图中看出高分子材料的阻尼性能差异，OK样品相较于NG样品有较广阔且曲线平缓的Tanδ面积，阻尼性能OK > NG。阻尼材料要求的是能量吸收冲击，即是Tanδ值部分，理想的阻尼材料在整个Tanδ及温度区域的关系图曲线变化平缓且曲线面积尽量要大，故阻尼性能对预估及检测高分子聚合物材料脆性及韧性是非常有用的数值，可透过DMS模数量及温度关系图选出特定范围内适合的阻尼材料。

DMS广泛应用于高分子材料各研究中，具有样品温度、频率、时间等几种模式的分析功能，分析材料的结果藉由Tanδ阻尼曲线、Storage modulus-储存模数、Loss modulus-损失模数等一系列结果曲线，得到材料的基本参数，帮助我们了解材料进一步的物性状况，Tanδ阻尼曲线中的玻璃转移温度，能够测量高分子聚合物共混相容性及材料间加工条件参数，确定加工条件，并可从中发现材料老化及耐环境能力状况。 DMS利用多样化的变形模式来分析材料特性，提供各种形变测试可能性，包括有弯曲、(单一或双重悬臂梁、三点弯曲)、切变、薄膜切变、张力及压缩。从纤维、微薄的胶片、弹性物体，热塑性拉伸样品、复合物乃至于胶状材料等众多结构及型式的样本皆可使用DMS做测试，使用动态力学分析的有力依据，可作为开发研究高分子聚合物材料的各物性评估。