热分析-DSC DSC(热示差扫瞄分析仪)如何测量外部应力影响材料之结晶度

在光学领域里，「透明」是允许「光」穿透的属性；透明材料可以被透视，允许图像清晰的被穿过，相反的属性被称为不透明性。半透明材料只允许光散射穿透，即，材料会扭曲图像。如果高分子材料能够有高透明度，低双折光性，低色散(dispersion)，高尺寸安定性，机械性质优良，耐热性与耐久性佳，容易加工以及成本低的特点，那么将是极为理想的光学材料。         玻璃是相当优秀的光学材料，但是玻璃材料有易碎及不易加工的缺点。高分子材料却有加工成型性佳及耐冲击强度高的优点，因此，光学高分子材料的进展也就成为众所瞩目的焦点。



材料的透明性和结晶度有关系，而以一般材料来说，透明的部份就是非结晶相(Amorphous，不规则相)，不透明的就是结晶相(Crystal，规则相)，在材料具有相同厚度的情况下，结晶度低(材料的不规则相比例高)透明度就高；反之，结晶度高(材料的规则相比例高)透明度就降低。         在材料成型的过程中，制程温度、材料本身的化学结构、杂质及应力都是影响材料结晶度的原因。以实例来说，从左图材料的外观可以明显的看出有二个不一样之处-透明、半透明部份，半透明的部份是由外力拉扯所造成的，可比拟为光学材料因应力造成的不透明状况，ex.搬运途中的外力撞击、拉伸…等；而这类外力造成的应力问题，要如何用DSC来证明呢?
        以热力学的观点来说，结晶的反向就是熔融，故，结晶度高的样品熔融反应就会大，所以利用DSC测量结果可以用来判断材料是不是受过应力的影响而改变了其结晶度。

图一的测试结果中，绿色讯号线为透明的材料，蓝色讯号线为经由外力拉扯而变为半透明的材料。



图一、透明材料与半透明材料DSC测试结果比较。         由测量结果来看，二者的熔融热明显不同，可以证明受到应力的影响会造成材料结晶度的改变；透明的部份就是材料中的不规则相>规则相，所以熔融时产生的能量(熔融热，△H)会比较小，而Tg点是不规则相移动而产生的相变化，所以透明材料的Tg变化(△H)会比较大；而另一个已经被拉开变成半透明的材料，表示样品结构可能由不规则相变为规则相(结构比例-不规则相<规则相)，所以会出现
1.Tg变化量变小
2.熔融热会变大 的状况。
        有个现象在这个例子里是没有看到的，就是升温结晶现象，升温结晶其实是有可能会发生的。结晶是结构由不规则相变成规则相的一种相变化，高分子材料在升温过程中会产生升温结晶，是一种放热反应。

图二、透明材料升温结晶示意图	图三、半透明材料升温结晶示意图

如同上述说明，材料透明表示其中不规则相的比例比规则相来得多，所以在升温的过程中从不规则相排列到规则相中(比例高向比例低移动)的可能性极高，就容易产生升温结晶的相变化。而当材料被外部应力拉扯后，材料中结晶的比例变多了，相对的不规则比例变小，所以Tg的变化量就变小，也就较不容易从不规则相(比例小)的部份排列成规则相(比例大)的部份，故在这种状况下，即使产生了升温结晶也是很小的放热反应(Peak)不易被发现。

假设，测试结果中可明显看出升温结晶的反应，则该样品的结晶度计算公式如下:



一般来说，自然状况下材料中的规则相及不规则相会以稳定的比例存在，但以现在半透明材料的例子看来，它是因为外力而强迫改变了其比例，故只要经过很长时间之后规则相又会慢慢移动成不规则相。