热分析-TMA 热分析仪(Thermal Analysis)分析塑胶类的塑化剂影响材料特性

塑胶是以高分子量的树脂所组成，是应用广泛的刚性材料，但因生产制造的效能不彰及成本过高，往往塑胶需要添加增塑剂、稳定剂或润化剂等添加物来改变塑胶加工性，使其提升塑性及降低生产成本，但如何高效率的提升塑性则是每个业者一直研究改良的课题。我们以PVC为例子来简单说明。聚氯乙烯(简称PVC，英文为Polyvinylchloride) ，PVC是一种使用一个氯原子取代聚乙烯中的一个氢原子的高分子材料，是产量仅次于PE的第二大通用塑胶，普遍存在于我们的生活周遭，各种领域中常见的树脂，常见制品有板材、管材、鞋底、玩具、门窗、电线外皮、文具、建筑装潢等等。

PVC是五大通用塑胶（PE、PVC、PP、PS、ABS）中唯一的含氯塑胶。藉由塑化剂添加可改变PVC柔软度，像保鲜膜那么软；而不添加任何塑化剂的PVC，其硬度非常硬。因此一般依PVC的柔软度，将PVC区分成软质PVC与硬质PVC。硬质PVC相较于软PVC有柔韧性好、易成型且不容易脆化、保存时间长等特性，故占有较多的市场；软质PVC一般用于天花板；皮革表层或地板等应用。

也因为PVC软硬度的差异，大大降低了产品的生产技术门槛与成本，让生产者可以很方便的制造柔软度不同的各种产品。另外PVC的热安定性很差，为了避免PVC产品在太阳或高温下的裂解，必须添加安定剂以稳固材料，通常为铅、镉、锌等重金属。因此，PVC并不只是纯PVC，还含有塑化剂与安定剂等成分；完全不添加任何东西的PVC本身虽不毒，但因特性关系而有应用上的限制。

在PVC的结构里，一般分子量在50000~120000范围，PVC分子量的增加会提升刚性和强度，但同时也降低了加工性，所以我们必须清楚PVC材料特性已使用在各个产品领域。

我们可透过示差扫描量热法（DSC）和热机械分析（TMA）来检测PVC添加增塑剂后的玻璃转移温度偏移，说明PVC与邻苯二甲酸二酯（DOP）浓度的玻璃化转移温度变化关系、物性及化性变化。 DOP为塑化剂的一种，是可增加材料柔软性或使材料液化的添加剂。

准备三种不同的PVC：

1. 未添加塑化剂的PVC
2. 添加10% DOP的PVC
3. 添加20% DOP的PVC

DSC测量条件 
各取10mg样品放置在开放型铝制样品盘中，测量温度范围为-20℃~120℃，使用升温速率10℃/ min。

TMA测量条件 
使用Expansion(扩展/压缩) probe并施下压力50mN于样品，测量温度范围为-40℃至120℃，使用5℃/ min的升温速率。
 
从图一和图二中显示各添加0%、10%、20%DOP的PVC在DSC和TMA的测试结果。整理分析结果从表一我们可了解添加不同比例塑化剂的PVC，其玻璃转移温度在TMA和DSC的偏移结果。
 
一般测试玻璃转移温度会以Tmg-中点温度为标准，而图一的DSC测量数据中，随着添加的DOP浓度不同，每个PVC-玻璃转移温度的偏移非常明显。 DOP浓度逐渐提高，瓦解了一部分PVC树脂彼此之间原有作用力，DOP分子与PVC结合形成新作用力，使玻璃转移温度往较低的温度开始偏移。从图一中还可看出随着DOP浓度提高，各PVC玻璃转移温度的起始点【Tig】之间和结束点【Teg】之间的温度范围变宽，这表示DOP塑化剂整体加宽了玻璃转移温度，使PVC软化温度下降，提高塑化性能，也进而提升PVC加工性。此外，DOP浓度增加也提升了分子量及结构，使比热容【Cp】随之提升。

TMA的测定结果-图二，随着DOP浓度增加，PVC的玻璃转移温度也向低温处偏移，此膨胀系数会随着PVC添加不同浓度DOP而改变，DOP浓度越高，线性膨胀系数也随之提高。

在此测试中，透过DSC及TMA设备可看出增塑剂-DOP对PVC在玻璃转移温度上的偏移影响，提高其可塑性及流动性能，使PVC内分子易于活动，具有柔韧性进而提高加工性能。在塑料中添加一定浓度的增塑剂，如兼容性佳，可使得玻璃转移温度降低，增加聚合物分子链的移动性，降低整体分子链的结晶性，有效提高聚合物的塑性，例如: 硬度、软化温度、黏弹模数、脆化温度下降、伸长率及柔韧性提高等。业界上常使用可塑剂添加在热塑性树脂上，为了降低加工温度或增加出料速度，我们都可透过玻璃转移温度并使用DSC或TMA等设备详细了解塑料特性，进而对塑料进行精准的加工与检定。
 

DSC-示差扫描热分析仪	TMA/SS-热机械分析仪