材料的熱性質，你需要了解的熱分析技術

2023-05-04

熱分析技術始於1887年，當時著名的法國科學家Henri Le Chatelier對黏土礦物進行了他的第一次熱值測量（Thermometric Measurements ），並記錄下實驗過程，為熱分析技術的初步發展打下基礎。1899年，英國科學家Roberts-Austen進行了第一次溫度熱差測量（Differential Temperature Measurements），並得到DTA（Differential Thermal Analysis）曲線，從而開始了差熱分析技術的發展。然而，直到1960年代，熱分析儀器才得以出現，開啟了熱分析技術60年以來的發展。現在，熱分析技術已廣泛應用於各個不同行業，並使用於許多新的研究和應用領域。

什麼是熱分析

熱分析技術是一種能夠測量樣品物理特性隨溫度或時間變化的分析方法。在熱分析實驗中，樣品會被逐漸加熱、降溫或維持維持特定溫度，藉此觀察樣品隨溫度變化而出現的改變，像是熔化、氧化反應或熱裂解等現象。透過觀測溫度變化的方式，熱分析技術可以揭示材料的熱性質特性，例如熱膨脹、熔點（當需要考慮材料種類的選擇）、熱穩定性（可評估材料的適用範圍）、玻璃轉移溫度（用以評估材料的軟化和變形特性）等。

熱分析方法

常見的熱分析方法包含差示式熱量掃描（DSC）、熱重分析（TGA）、熱機械分析（TMA）及動態力學分析（DMA）。這些方法都能夠測量樣品在不同溫度下的物理特性，並且在不同應用領域中得到廣泛的應用。

差示式熱量掃描（DSC）
最常被應用的熱分析技術之一，藉由樣品在吸收（吸熱）和釋放（放熱）能量時的變化，可以分析其熔點、固-固相轉變和化學反應等特性。差示式熱量掃描在許多領域中都有廣泛地應用，包括測量玻璃轉移溫度（Tg）、熔點（Tm）與結晶點（Tc）。

圖1：差示式熱量掃描之溫度曲線

熱重分析（TGA）
透過測量樣品在加熱過程中的重量變化，來研究材料的性質和組成。熱重分析可用於研究材料的熱穩定性、熱裂解反應、揮發性物質等。甚至可透過串連聯用系統（Hyphenated techniques），將熱重分析儀串連傅立葉紅外線光譜儀（TGA-FTIR）或質譜分析儀（TGA-MS）等儀器，進一步探討樣品揮發後產生的氣體產物性質和組成。
常見的熱重分析應用包含成分組成分析、填充物比例分析、氧化穩定性及含水量等，或是分析材料中的揮發物質的含量和性質；例如：研究化妝品的水分含量或塗料中的揮發物含量。在裂解反應方面，熱重分析可用於研究材料在加熱過程中的裂解反應，例如：分析聚合物的分解溫度或金屬氧化物的熱穩定性等。

圖2：熱重分析之溫度曲線

熱機械分析（TMA）
熱機械分析透過樣品在加熱過程中的熱膨脹尺寸變化，來研究材料的性質。常見的應用包含玻璃轉移溫度（glass transition）、熱膨脹係數（Coefficient of thermal expansion）、軟化（Softening）及收縮（Shrinkage behavior）等。常用於研究石英、鎳鐵合金及硼矽酸鹽玻璃中的熱膨脹係數。

圖3：熱機械分析之溫度曲線

動態力學分析（DMA）
用於測量材料在週期性（振盪）應力下的機械特性和黏彈性，透過分析材料在時間、溫度和頻率變化下的物理特性，包含模量（moduli）、柔量（Compliance）與阻尼（damping）等。常應用於熱塑性塑膠、熱固性材料、彈性體、陶瓷和金屬等材料的形變、裂紋、軟化等研究。

圖4：動態力學分析之溫度曲線

熱分析技術應用於各產業領域

鋰電池分析
鋰電池是現代電子設備中不可或缺的能源，其性能和安全穩定性對於設備的使用非常重要。為防止鋰電池的過熱和過度充電而導致的爆炸和火災，熱分析技術可用來研究鋰電池的熱穩定性，檢測其在高溫和低溫下的反應，進而探討其安全性和電池壽命。
此外，熱分析技術還可用於鋰電池中各種材料的分析。例如，使用差示式熱量掃描（DSC）技術可測量各種電池材料的熱穩定性，並進一步研究其在鋰電池中的使用效果與安全性。

圖5：各種熱分析技術應用於鋰電池材料的檢測

透過熱分析技術的應用，可以更全面地了解鋰電池的熱性質，並提高電池的安全性與穩定性。

再生塑膠的鑑別
隨著環保意識的抬頭，在減塑的趨勢下，大家越來越關注再生塑膠的重要性。透過熱分析技術可用以鑑別再生塑膠和原始塑膠，包含差示式熱量掃描（DSC）、熱重分析（TGA）及熱機械分析（TMA）的應用。
差示式熱量掃描（DSC）可分析加熱過程中塑膠的熱性質變化，如熔點和結晶點，以判斷其組成成分。熱重分析（TGA）則可測量塑膠在加熱過程中的重量變化，以區分再生和原始塑膠的分解溫度。而熱機械分析（TMA）可測量塑膠在加熱過程中的熱膨脹變化，從而區分不同塑膠間的差異。
透過這些熱分析技術的應用，可以更準確地區分再生塑膠和原始塑膠，並確保再生塑膠的品質和安全性符合標準，進一步提高其可持續利用的價值。