熱分析技術在傳統汽車材料中的應用

背景介紹

1886年1月29日，本茨發明了第一輛不需要馬來拉動的三輪車，這一天也被認定為汽車的生日。隨著時代的發展，電子信息技術越來越多地滲透到汽車電子領域，各個汽車品牌為了提升產品競爭力，正努力用更豐富的設計亮點來迎合客戶日益挑剔的需求。在現代的汽車里，我們的生活在路上被延續，汽車變得更像一個“移動居室”。

據估計，汽車是由上萬種零部件組成的復雜結構交通工具，根據其動力裝置、使用條件等不同，汽車具體的構造可以有很大的差別，但總體結構通常由發動機、底盤、車身以及電氣系統四大部分組成。

傳統汽車材料包括熱塑性塑料、熱固性塑料以及橡膠，他們被廣泛應用于汽車的各個部分，像是汽車的內飾件、外飾件、密封件以及輪胎等。熱分析技術在這些傳統汽車材料中有著豐富的應用，常用于測試材料的玻璃化轉變溫度、結晶和熔融、固化度、組分含量、蠕變性能以及動態力學性能。

接下來就讓我們一起看一些具體的測試案例：

測試案例

一、鑒定聚合物種類并估算組分含量

PC/ABS合金是由聚碳酸酯（PC）和丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物（ABS）混合而成的熱塑性塑料，它結合了兩種材料的優異特性，是常見的汽車內飾件材料，同時也是制造汽車儀表板的理想材料。

PC和ABS共混形成的是相互之間不相容的共混物，其中PC和ABS都聚集在自己的相內，因此這個共混物能夠測得兩個玻璃化轉變溫度（Tg）。由于不同材料的Tg不同，所以我們可以通過測出的Tg來鑒別材料中聚合物的種類。PC/ABS中兩種組分的含量對材料的性能起到了直接的影響，我們同樣可以通過DSC測試對組分含量進行估算。

在圖1的案例中，我們分別用DSC測試了純的PC以及PC/ABS共混物，通過對曲線的分析，我們發現:純PC的Tg在145.7 ℃左右。而PC/ABS共混物，可以測出ABS和PC兩種組分的Tg，分別為110.3 ℃和142.9 ℃。這兩個Tg相較于純的PC和純的ABS都向中間溫度移動了。另外，根據比熱容的改變量，還可以估算PC/ABS中各組分的含量。PC/ABS中的PC在發生Tg前后，比熱容變化（delta Cp）為0.182J/g·K，純PC在發生Tg前后的delta Cp為0.285J/g·K，兩者相除后計算得到PC的含量大約為64%。

二.研究熱固性材料的固化度

環氧樹脂是環氧氯丙烷與雙酚A或多元醇的縮聚產物。由于環氧基的化學活性，可用多種含有活潑氫的化合物使其開環，固化交聯生成網狀結構。它主要作為粘接劑、涂料和輕量化材料應用于汽車行業中。

在圖2的案例中，我們對在150度下等溫固化不同時間的環氧樹脂進行了兩次升溫的測試，根據一次升溫曲線和二次升溫曲線，我們可以得到不同的信息。

在一次升溫曲線上，我們可以看到，隨著環氧樹脂在150度下等溫時間的延長，Tg逐漸提高，而放熱的后固化峰逐漸減小。說明等溫時間越長，樣品固化度越高。在后固化峰上還有一個小的吸熱峰，這是交聯劑的熔融產生的。即使在150度下等溫了140分鐘后，還能夠看到微弱的放熱固化峰，這代表此時樣品仍然沒有固化*。

對這些樣品進行第二次升溫，此時Tg均為110度，而且都觀察不到后固化峰，這說明經過第一次升溫之后，樣品已經*固化。*固化的樣品結構更加穩定，要發生玻璃化轉變需要的能量更多，所以Tg比未固化*時更大。如果想讓環氧樹脂在等溫固化過程中盡量*固化，我們可以進一步提高等溫固化的溫度，或者延長樣品的等溫固化時間。

三.測試橡膠中各組分的含量

和其他材料相比，橡膠在使用溫度范圍內具有高彈性。簡單來說，對橡膠施加一定的外力，橡膠可以發生形變，而外力去除后，橡膠又能恢復原狀。這使得橡膠有著豐富的應用。在汽車上大家最容易看到的橡膠制品就是輪胎，此外汽車上還有許多各種橡膠材質的配件。

為了使橡膠的性能符合使用的需求，常會在橡膠中添加油以及炭黑。其中油能起到增塑以及降低硬度的作用，而炭黑則起到了增加強度、提高耐磨性的作用。我們可以通過TGA來簡單快速地測試得到橡膠中各組分的含量。

對含丙烯腈以及含鹵素的橡膠，他們在氮氣中分解時會產生裂解碳。用普通的升溫程序測試時，裂解碳和添加的炭黑會一起在氧化性氣氛下燃燒，導致無法準確得到添加炭黑的含量。由于炭黑的比表面積越大，活性越大，燃燒的也越快，所以我們可以在測試橡膠的時候設置回溫段來區分裂解碳和添加碳。發生在較低溫度的第一個臺階是裂解碳的分解，發生在較高溫度的第二個臺階是添加的炭黑的分解。

在圖3的案例中，我們參考國標GB/T14837.2-2014《橡膠和橡膠制品 熱重分析法測定硫化膠和未硫化膠的成分 第2部分：丙烯腈-丁二烯橡膠和鹵化丁基橡膠》對含鹵素的橡膠進行了測試。在氮氣下，溫度比較低的時候，發生了揮發分、油類的分解；溫度稍高一些的時候，發生了橡膠本體的分解。然后在回溫切換成空氣后，橡膠本體分解產生的裂解碳先發生了分解，繼續升高溫度橡膠中的添加炭開始分解。由此能夠得到這類橡膠中炭黑的添加量約為10.38%。

總結

對于汽車行業的客戶，可以使用熱分析技術來進行各類樣品的測試。不同的熱分析技術可獲得不同的信息，包括樣品的玻璃化轉變溫度、組分種類、組分含量等等，這能夠幫助客戶高效地完成研發以及品控等工作。