熱分析-DSC 熱分析DSC及TG/DTA應用-樹脂類材料(碳粉)熔點及比例分析

科技的大躍進，形成資訊化的蓬勃發展，訊息的傳遞更是瞬息萬變，其中電腦的演進更是將人類生活的步調加快。資訊的整理透過電腦等設備，變成我們日常生活中最不可或缺的工具。現今訊息的整理工具五花八門，但其中最為普遍也最常使用的方式是使用傳輸列印工具-印表機及影表機等設備，將重要的資訊或生活中的影像完整的列印出來並保存，故影印機的發明對於現今文明發展具有重大的影響力。

現在我們來深入探討影印機內所使用的消耗品-碳粉，碳粉的主要成分不是碳，大多數是由樹脂和黏合劑所組成。碳粉中常聽到的樹脂及碳黑都是主要成像物質。現今所使用的影印機都已是合法安全使用設備，並無直接的使用危害，但我們仍可利用熱分析技術，實際瞭解生活中我們所使用的影印機碳粉性質與特點。

ㄧ般碳粉經過高溫融化後至紙纖維中，樹脂會被氧化成有刺激氣味的氣體，形成所謂的臭氧。市面上一堆代用碳粉，大多是使用碳黑作為主要原料，內都有多環芳烴系列及二甲基硝胺等物質，這些物質在加熱時會揮發出來，通過呼吸被人體間接吸收，危害到機器周遭者的健康，故影印機長時間使用時，建議別持續待在影印機四周。影印機所使用的碳粉主要是由具熱軟化性質的樹脂、碳黑及黏合劑所混合而成。碳粉的性能基本上是取決於熱軟化樹脂的特性。
 

示差掃描熱分析儀【DSC】

我們可實際應用DSC-示差掃描熱分析儀來分別檢驗四種不同影印機碳粉內的吸放熱變化，並且針對碳粉的組成比例，使用TG/DTA同步式熱重/示差熱分析儀來做成份的定量分析。  

DSC-示差掃描熱分析儀-測量條件：
取5mg樣品放入密閉式鋁制樣品盤內，並以升溫速率10℃/ min測試。可得到以下結果圖示：
ㄧ般碳粉在加熱時，約在攝氏60℃以上會有相變化-熔點產生，圖ㄧ中的四種碳粉加熱至約60℃~65℃時分別產生熔點，碳粉熔點越低，會加快影印機的列印速度，並且有效降低機器耗電量，從圖ㄧ中我們可看出碳粉-3熔點是最低的。影印機透過定影棍對碳粉產生加熱作用，以便使碳粉熔化後壓入紙張內，而不同的印表機，定影棍的加熱溫度會有所偏差，熔點範圍較寬的碳粉，與影印機的定影棍配合性能較好，可得到良好的列印表現，圖中碳粉-3約在20.1℃時開始產生吸熱反應，相較於其他三種碳粉，碳粉-3的熔點範圍較大，也較容易與各種影印機內的定影棍互相搭配，有較好的影像品質；相反地，熔點範圍較窄的碳粉，會有兩種現象造成影像品質很不穩定:

(1) 當碳粉熔點高於定影棍加熱溫度時，會造成碳粉熔化不全而無法完全滲入紙張纖維內，造成圖像定影不佳。
(2) 碳粉熔點低於定影棍加熱溫度時，碳粉會過度軟化，進而粘在定影棍上，污染了定影棍，在列印時容易污染紙張。

另外從圖ㄧ中我們還可看到碳粉-4過64.4℃的熔點後，另還有約125℃的吸熱峰產生。此碳粉內可能添加表面改性劑-聚乙烯在內，聚乙烯能把碳粉粉體包住使其能整體均勻受熱，進而使碳粉在加熱時更能完整定影在紙張上，擁有較好的影像品質。但表面改性劑聚乙烯本身也有潛在危害性，其分子顆粒如大量被吸收至血液循環系統中，最終會積累在腎臟，較不易被身體機能排出，從而使腎結石產生機率上升。
 

同步式熱重/示差熱分析儀【TG/DTA】

我們實際應用TG/DTA來分析影印機-碳粉，碳粉是由熱塑性樹脂與碳黑混合所開發出來，碳粉的性能基本上是取決於熱塑性樹脂特性而定。

TG/DTA-同步式熱重/示差熱分析儀-測量條件：
取5mg樣品放入開放式鋁制樣品盤內，並以升溫速率10℃/ min測試。可得到以下結果圖示：
碳粉內都會有樹脂料、碳粉及化學助劑的比例，樹脂-連結料通常是碳粉閘中的主原料，樹脂連結料可與其它化學溶劑相互混合，讓影印機在列印時使碳粉可直接印刷在膜基或紙基表面上後，浮在粉層表面上使其產生防止摩擦或髒汙的功效。從圖2我們可看出TG / DTA測量結果。圖2中的實驗環境氣體約在600℃時從氮氣切換為空氣，我們可以明顯觀察到通入空氣時所產生的碳黑-重量損失。

樹脂：88.8％、碳黑：10.8％及最後的無機材料：0.4％；我們可從TG/DTA曲線圖中得知碳粉內各成份的重量比例，樹脂或是碳黑等。

DSC-示差掃描熱分析儀	TG/DTA-熱重/差熱分析儀

DSC-示差掃描熱分析儀及TG/DTA-熱重/差熱分析儀提供了有效的分析方式，我們可透過熱分析設備對影印碳粉做更進ㄧ步的性質分析及瞭解成份、碳黑比例及吸熱及放熱的變化等，提供了極為有效的分析資訊。