热分析-DSC 热分析DSC及TG/DTA应用-树脂类材料(碳粉)熔点及比例分析

科技的大跃进，形成资讯化的蓬勃发展，讯息的传递更是瞬息万变，其中电脑的演进更是将人类生活的步调加快。资讯的整理透过电脑等设备，变成我们日常生活中不可或缺的工具。现今讯息的整理工具五花八门，但其中普遍常使用的方式是使用传输列印工具-印表机及影表机等设备，将重要的资讯或生活中的影像完整的列印出来并保存，故影印机的发明对于现今文明发展具有重大的影响力。

现在我们来深入探讨影印机内所使用的消耗品-碳粉，碳粉的主要成分不是碳，大多数是由树脂和黏合剂所组成。碳粉中常听到的树脂及碳黑都是主要成像物质。现今所使用的影印机都已是合法安全使用设备，并无直接的使用危害，但我们仍可利用热分析技术，实际了解生活中我们所使用的影印机碳粉性质与特点。

ㄧ般碳粉经过高温融化后至纸纤维中，树脂会被氧化成有刺激气味的气体，形成所谓的臭氧。市面上一堆代用碳粉，大多是使用碳黑作为主要原料，内都有多环芳烃系列及二甲基硝胺等物质，这些物质在加热时会挥发出来，通过呼吸被人体间接吸收，危害到机器周遭者的健康，故影印机长时间使用时，建议别持续待在影印机四周。影印机所使用的碳粉主要是由具热软化性质的树脂、碳黑及黏合剂所混合而成。碳粉的性能基本上是取决于热软化树脂的特性。

示差扫描热分析仪【DSC】
我们可实际应用DSC-示差扫描热分析仪来分别检验四种不同影印机碳粉内的吸放热变化，并且针对碳粉的组成比例，使用TG/DTA同步式热重/示差热分析仪来做成份的定量分析。
DSC-示差扫描热分析仪-测量条件:
  取5mg样品放入密闭式铝制样品盘内，并以升温速率10℃/ min测试。可得到以下结果图示：
DSC 示差扫描热分析仪测量条件

图ㄧ、影印机碳粉-DSC分析结果
        ㄧ般碳粉在加热时，约在摄氏60℃以上会有相变化-熔点产生，图ㄧ中的四种碳粉加热至约60℃~65℃时分别产生熔点，碳粉熔点越低，会加快影印机的列印速度，并且有效降低机器耗电量，从图ㄧ中我们可看出碳粉-3熔点是較低的。影印机透过定影棍对碳粉产生加热作用，以便使碳粉熔化后压入纸张内，而不同的印表机，定影棍的加热温度会有所偏差，熔点范围较宽的碳粉，与影印机的定影棍配合性能较好，可得到良好的列印表现，图中碳粉-3约在20.1℃时开始产生吸热反应，相较于其他三种碳粉，碳粉-3的熔点范围较大，也较容易与各种影印机内的定影棍互相搭配，有较好的影像品质；相反地，熔点范围较窄的碳粉，会有两种现象造成影像质量很不稳定:
(1) 当碳粉熔点高于定影棍加热温度时，会造成碳粉熔化不全而无法完全渗入纸张纤维内，造成图像定影不佳。
(2) 碳粉熔点低于定影棍加热温度时，碳粉会过度软化，进而粘在定影棍上，污染了定影棍，在列印时容易污染纸张。

另外从图ㄧ中我们还可看到碳粉-4过64.4℃的熔点后，另还有约125℃的吸热峰产生。此碳粉内可能添加表面改性剂-聚乙烯在内，聚乙烯能把碳粉粉体包住使其能整体均匀受热，进而使碳粉在加热时更能完整定影在纸张上，拥有较好的影像品质。但表面改性剂聚乙烯本身也有潜在危害性，其分子颗粒如大量被吸收至血液循环系统中，会积累在肾脏，较不易被身体机能排出，从而使肾结石产生机率上升。
   同步式热重/示差热分析仪【TG/DTA】
        我们实际应用TG/DTA来分析影印机-碳粉，碳粉是由热塑性树脂与碳黑混合所开发出来，碳粉的性能基本上是取决于热塑性树脂特性而定。
TG/DTA-同步式热重/示差热分析仪-测量条件:
取5mg样品放入开放式铝制样品盘内，并以升温速率10℃/ min测试。可得到以下结果图示：
TG/DTA 同步式热重/示差热分析仪测量条件

图二、影印机碳粉-TG/DTA分析结果
碳粉内都会有树脂料、碳粉及化学助剂的比例，树脂-连结料通常是碳粉闸中的主原料，树脂连结料可与其它化学溶剂相互混合，让影印机在列印时使碳粉可直接印刷在膜基或纸基表面上后，浮在粉层表面上使其产生防止摩擦或脏污的功效。从图2我们可看出TG / DTA测量结果。图2中的实验环境气体约在600℃时从氮气切换为空气，我们可以明显观察到通入空气时所产生的碳黑-重量损失。
树脂：88.8％、碳黑：10.8％及无机材料：0.4％；我们可从TG/DTA曲线图中得知碳粉内各成份的重量比例，树脂或是碳黑等。