熱分析-TMA 高分子薄膜異方向性尺寸變化檢測應用

PI-聚醯亞胺是分子結構中有複雜醯亞胺鏈結的高分子化合物，其主鏈有很高的硬度及很強的分子間作用力，故化學性質非常穩定，也具有優良的耐熱、耐化學藥品、高機械強度及電性佳等特性，做為工程材料進一步製成薄膜、強化塑膠、接著劑、纖維..等等，在電子、光學、液晶、汽機車及機械等不同領域中廣泛使用，使得PI在電子用品及材料需求上日益增加，扮演著重要的角色。應用型態以薄膜及塗料為主，其高耐熱性及優良電器絕緣性在各領域應用中，IC半導體、光電產業、軟性印刷電路板及液晶顯示器上最常使用。

20140217-01

PE-聚乙烯是一種長鏈的碳氫化合物-結晶性熱塑樹脂，其化學結構、聚合性及分子決定了其性質，具有無臭、無毒且優良的耐低溫、高化學穩定、耐溫及電絕緣性優良特性，主要製造薄膜、包裝材料、容器、管道、絕緣材料，隨著現今石油工業的發展，聚乙烯生產得到迅速發展。聚乙烯有很多的種類，因聚和方式的差異性，大致分為LDPE (低密度聚乙烯)、MDPE(中密度聚乙烯)、HDPE (高密度聚乙烯)，LDPE屬非極性塑膠，透明性、透氣性及良好耐熱性，適合應用于複合薄膜、包裝材料上；HDPE屬於高結晶性聚合物，具有韌性高、強度大、耐衝擊等特性，適合用於塑膠袋、容器、鋼材包覆或長途運輸的管材如石油和天然氣管道等；中密度PE特性則介於LDPE及HDPE間。
20140217-2

以上這些現今常見的材料，我們可實際透過熱機械分析儀-TMA ，將PI及PE經由溫度變化來測試其材料尺寸變化。而TMA在測量時會因為材料性質如品質，成分和分子結構而得到不同的測試結果，即使是同一批材料，也會因材料性質差異進一步得到差異性結果。進一步地運用，更可以透過TMA瞭解材料異方向材料性質，如CTE-膨脹係數。

測試前我們準備以上材料，為PI film-聚醯亞胺薄膜、LDPE film-聚乙烯薄膜，分別使用TMA測試在不同溫度中的尺寸變化結果。

測試結果圖

圖一、LDPE film-聚醯亞胺薄膜_TMA異方向測量曲線

圖一顯示出LDPE film異方向: A-縱向拉伸及B-橫向拉伸的測試結果圖，結果上可看出低密度聚乙烯膜的縱向拉伸延伸長度超過橫向拉伸，一般情況下，聚合物薄膜在拉伸不同方向時，縱向和橫向上機械性質是不同的，從結果上可表示測試的LDPE film縱向方向的延展性及韌性都比橫向方向較佳。

圖二、PI film-聚醯亞胺薄膜_ TMA異方向測量曲線

圖二顯示出PI film異方向測試: A-縱向拉伸及B-橫向拉伸的測試結果圖，圖上可看出A-縱向拉伸及B-橫向拉伸的玻璃轉移溫度並無太大差異性，約319℃，但膨脹係數卻有很大的差異性。

以玻璃轉移溫度前後做區分：
A- 縱向拉伸100~300℃的CTE為38.98ppm，330~360℃的CTE為95.68ppm
B- 橫向拉伸100~300℃的CTE為48.58ppm，330~360℃的CTE為143.10ppm

縱向比於橫向的熱膨脹係數來得大，每個方向的分子間束縛力有差，隨著溫度升高，分子吸收能量後使得分子震動範圍擴大，分子間距離增加使得固體膨脹，隨著溫度變化而產生的熱膨脹係數與熱容息息相關，同一片薄膜材質相同卻有不同熱膨脹係數，應是各方向的原子排列密度有差，導致縱向熱膨脹係數大，橫向膨脹係數小。
20140217-05