热分析-TMA 高分子薄膜异方向性尺寸变化检测应用

PI-聚醯亚胺是分子结构中有复杂醯亚胺链结的高分子化合物，其主链有很高的硬度及很强的分子间作用力，故化学性质非常稳定，也具有优良的耐热、耐化学药品、高机械强度及电性佳等特性，做为工程材料进一步制成薄膜、强化塑料、接着剂、纤维..等等，在电子、光学、液晶、汽机车及机械等不同领域中广泛使用，使得PI在电子用品及材料需求上日益增加，扮演着重要的角色。应用型态以薄膜及涂料为主，其高耐热性及优良电器绝缘性在各领域应用中，IC半导体、光电产业、软性印刷电路板及液晶显示器上常使用。

PE-聚乙烯是一种长链的碳氢化合物-结晶性热塑树脂，其化学结构、聚合性及分子决定了其性质，具有无臭、无毒且优良的耐低温、高化学稳定、耐温及电绝缘性优良特性，主要制造薄膜、包装材料、容器、管道、绝缘材料，随着现今石油工业的发展，聚乙烯生产得到迅速发展。聚乙烯有很多的种类，因聚和方式的差异性，大致分为LDPE (低密度聚乙烯)、MDPE(中密度聚乙烯)、HDPE (高密度聚乙烯)，LDPE属非极性塑料，透明性、透气性及良好耐热性，适合应用于复合薄膜、包装材料上；HDPE属于高结晶性聚合物，具有韧性高、强度大、耐冲击等特性，适合用于塑胶袋、容器、钢材包覆或长途运输的管材如石油和天然气管道等；中密度PE特性则介于LDPE及HDPE间。

以上这些现今常见的材料，我们可实际透过热机械分析仪-TMA ，将PI及PE经由温度变化来测试其材料尺寸变化。而TMA在测量时会因为材料性质如质量，成分和分子结构而得到不同的测试结果，即使是同一批材料，也会因材料性质差异进一步得到差异性结果。进一步地运用，更可以透过TMA了解材料异方向材料性质，如CTE-膨胀系数。

测试前我们准备以上材料，为PI film-聚醯亚胺薄膜、LDPE film-聚乙烯薄膜，分别使用TMA测试在不同温度中的尺寸变化结果。

测试结果图 

图一显示出LDPE film异方向: A-纵向拉伸及B-横向拉伸的测试结果图，结果上可看出低密度聚乙烯膜的纵向拉伸延伸长度超过横向拉伸，一般情况下，聚合物薄膜在拉伸不同方向时，纵向和横向上机械性质是不同的，从结果上可表示测试的LDPE film纵向方向的延展性及韧性都比横向方向较佳。

图二显示出PI film异方向测试: A-纵向拉伸及B-横向拉伸的测试结果图，图上可看出A-纵向拉伸及B-横向拉伸的玻璃转移温度并无太大差异性，约319℃，但膨胀系数却有很大的差异性。

以玻璃转移温度前后做区分：    
A- 纵向拉伸100~300℃的CTE为38.98ppm，330~360℃的CTE为95.68ppm
B- 横向拉伸100~300℃的CTE为48.58ppm，330~360℃的CTE为143.10ppm
  
纵向比于横向的热膨胀系数来得大，每个方向的分子间束缚力有差，随着温度升高，分子吸收能量后使得分子震动范围扩大，分子间距离增加使得固体膨胀，随着温度变化而产生的热膨胀系数与热容息息相关，同一片薄膜材质相同却有不同热膨胀系数，应是各方向的原子排列密度有差，导致纵向热膨胀系数大，横向膨胀系数小。

使用TMA对一般市场上常见的PI膜及PE膜进行测试，不同方向的测试都会得到不一样的结果，可进一步的了解每个材料的异方向机械性质，如延展性、韧性、精密度，甚至收缩应力及动态测试等等，藉由数据上显示不同方向的膨胀系数差异性，来看出样品内异方向性机械性质的差异，评断出各种高分子膜在不同方向的材料特性。

▲TMA/SS-热机械分析仪