热机械分析仪(TMA)

壓縮法
左圖為聚乙烯的線膨脹曲線，高密度聚乙烯在 ℃時出現熔融， 左圖為聚乙烯的線膨脹曲線，高密度聚乙烯在100℃時出現熔融，而低密 度聚乙烯在50~80℃範圍內顯示出收縮現象，說明在此溫度區間有結晶產 ℃範圍內顯示出收縮現象， 度聚乙烯在 顯示出收縮現象 生，過了此溫度後開始熔化，右圖為印刷電路板用的環氧樹脂的線膨脹 過了此溫度後開始熔化， 曲線及其微分曲線，利用公式算出其膨脹係數， 曲線及其微分曲線，利用公式算出其膨脹係數，以曲線拐點處求出玻璃 化轉移溫度。 化轉移溫度。
TA TMA設備校正 設備校正
校正功能表可選擇： 在TMA校正功能表可選擇：探針型式、施力型式、加熱爐溫度校正、和分 校正功能表可選擇 探針型式、施力型式、加熱爐溫度校正、 析校正。這些校正應該在安裝儀器時或是軟體改變時執行， 析校正。這些校正應該在安裝儀器時或是軟體改變時執行，之後也要周期 原廠建議大約每月一次)的實施 性(原廠建議大約每月一次 的實施。 原廠建議大約每月一次 的實施。 *探針校正：是用來校正LVDT和調整施力校正常數，以補償任何因 探針校正：是用來校正 和調整施力校正常數， 探針校正 和調整施力校正常數 以補償任何因TMA 探針形式不同而造成的改變。 探針形式不同而造成的改變。 *施力校正：適用在任何的探針。它可以校正由探針施於樣品的力量大小。 施力校正：適用在任何的探針。它可以校正由探針施於樣品的力量大小。 施力校正 *加熱爐溫度校正：是用來校正加熱偶，此熱偶位於加熱爐內部。這項校正 加熱爐溫度校正：是用來校正加熱偶，此熱偶位於加熱爐內部。 加熱爐溫度校正 是用來調整樣品熱偶和加熱爐熱偶之間的差值。校正使用二點校正程序。 是用來調整樣品熱偶和加熱爐熱偶之間的差值。校正使用二點校正程序。 *分析校正：功能可進入校正程式，可以在程式中執行爐子常數和溫度校 分析校正：功能可進入校正程式， 分析校正 爐子常數是透過熱膨脹校正調尺寸值。溫度校正用來校準樣品熱偶。 正。爐子常數是透過熱膨脹校正調尺寸值。溫度校正用來校準樣品熱偶。
機械分析儀的溫度標準
採用線膨脹探頭，如左圖，用銦 或鋅(Zn)的熔點進行溫度校準，將銦或 的熔點進行溫度校準， 採用線膨脹探頭，如左圖，用銦(In)或鋅 或鋅 的熔點進行溫度校準 鋅的上下用鋁薄片相隔，放在試樣架上，荷重 ， ℃ 昇溫， 鋅的上下用鋁薄片相隔，放在試樣架上，荷重5g，10℃/min昇溫，當溫度到 昇溫 達其熔點時，形變立即發生，右圖為銦的溫度 形變曲線 形變曲線， 達其熔點時，形變立即發生，右圖為銦的溫度-形變曲線，拐點對應的溫度 即為銦的熔點。 即為銦的熔點。
探針種類
探針種類轉變區由於分子鏈段的鬆弛， 高分子材料在玻璃化轉變區由於分子鏈段的鬆弛，使其膨脹係數出現突 高分子在T 以下時，鏈段運動被凍結， 變，即高分子在 g以下時，鏈段運動被凍結，熱膨脹主要克服分子間的 次價力，膨脹係數很小，當溫度升到T 鏈段開始運動， 次價力，膨脹係數很小，當溫度升到 g時，鏈段開始運動，同時分子鏈 本身鏈段的擴散運動也發生膨脹，因而膨脹係數較大，如此， 本身鏈段的擴散運動也發生膨脹，因而膨脹係數較大，如此，在Tg前後 熱膨脹曲線斜率發生轉折突變，得到拐點，就是玻璃化轉變溫度。 熱膨脹曲線斜率發生轉折突變，得到拐點，就是玻璃化轉變溫度。左圖 為聚甲基丙烯酸甲酯(有機玻璃 採用膨脹探頭測定的溫度-形變曲線 有機玻璃)採用膨脹探頭測定的溫度 形變曲線， 為聚甲基丙烯酸甲酯 有機玻璃 採用膨脹探頭測定的溫度 形變曲線，由 曲線的兩個拐折處分別作出兩條直線延伸的交點， 曲線的兩個拐折處分別作出兩條直線延伸的交點，則低溫處為玻璃化轉 變溫度T 高溫處為流動溫度T 右圖為聚苯乙烯的線膨脹曲線， 變溫度 g，高溫處為流動溫度 f，右圖為聚苯乙烯的線膨脹曲線，同樣 可求出T 可求出 g。
基本應用
各種物質隨溫度變化，其力學性能相應地發生變化， 各種物質隨溫度變化，其力學性能相應地發生變化，熱機械分析技術對 於研究和測定材料的使用溫度範圍、加工條件、力學性能等都具有重要 於研究和測定材料的使用溫度範圍、加工條件、力學性能等都具有重要 測定材料的使用溫度範圍 意義，對象包括金屬、陶瓷、無機、有機等 金屬 意義，對象包括金屬、陶瓷、無機、有機等，熱機械分析儀特別是用來 研究高分子材料的熱膨脹係數 、玻璃轉移溫度(T 、軟化點(T 、 研究高分子材料的熱膨脹係數(α)、玻璃轉移溫度 g)、軟化點 s)、熔 高分子材料的熱膨脹係數 點(Tm)、流動溫度、楊氏模量、應力鬆弛以及粉末燒結等，藉由變換不 、流動溫度、楊氏模量、應力鬆弛以及粉末燒結等， 同的接觸探針、試片座與應力變形模式或的更多樣的材料機械性質。 同的接觸探針、試片座與應力變形模式或的更多樣的材料機械性質。
熱機械分析儀
(Thermomechanical analyzer, TMA)
基本原理
熱機械分析儀(TMA)和膨脹儀 和膨脹儀(Dilatometer)的原理相近，皆是量測固體和 的原理相近， 熱機械分析儀 和膨脹儀 的原理相近 液體尺寸隨溫度變化的儀器， 液體尺寸隨溫度變化的儀器，膨脹法是量測待測物在無荷重下尺寸的膨脹 與收縮，而熱機械分析儀是熱分析技術的一種，主要是在程序控溫下，利 與收縮，而熱機械分析儀是熱分析技術的一種，主要是在程序控溫下， 程序控溫下 用儀器內部的linear variable differential transformer(LVDT)量測材料因熱 用儀器內部的 量測材料因熱 及機械荷重下所產生的尺寸(線性或體積 變化 獲得在不同荷重情形(如壓 及機械荷重下所產生的尺寸 線性或體積)變化，獲得在不同荷重情形 如壓 線性或體積 變化， 力或張力)下 試片的膨脹、拉伸、壓縮、彎曲、扭轉及針入的量測等。 力或張力 下，試片的膨脹、拉伸、壓縮、彎曲、扭轉及針入的量測等。
拉伸法
左圖為芳香族聚醯胺醯亞胺薄膜3個不同拉伸比的熱收縮曲線， 左圖為芳香族聚醯胺醯亞胺薄膜 個不同拉伸比的熱收縮曲線，右圖為尼龍 個不同拉伸比的熱收縮曲線 纖維的拉伸曲線， 濕氣蒸發， 纖維的拉伸曲線，在60℃~100℃時為濕氣蒸發，發生收縮，240℃時拉斷。 ℃ ℃時為濕氣蒸發 發生收縮， ℃時拉斷。
拉伸法與膨脹法
左圖為聚甲醛在恆溫50℃下的荷重 延伸曲線 從中可求聚甲醛在50℃ 延伸曲線， 左圖為聚甲醛在恆溫 ℃下的荷重-延伸曲線，從中可求聚甲醛在 ℃時的 模量，表中列出了荷重與模量關係，荷重小時，模量與應力無關，荷重大時， 模量，表中列出了荷重與模量關係，荷重小時，模量與應力無關，荷重大時， 模量隨荷重增加而減小，這與聚合物的拉伸理論是相符的。 模量隨荷重增加而減小，這與聚合物的拉伸理論是相符的。右圖採用體膨脹 探頭，可測量固體或液體的體膨脹係數，特別是各相異的物質更合適， 探頭，可測量固體或液體的體膨脹係數，特別是各相異的物質更合適，圖中 1為結晶高聚物，2為非晶態高聚物的體膨脹曲線，由此分別求出結晶高聚物 為結晶高聚物， 為非晶態高聚物的體膨脹曲線， 為結晶高聚物 為非晶態高聚物的體膨脹曲線 由此分別求出結晶高聚物 的熔點T 及非晶態高聚物的玻璃化溫度T 的熔點 m及非晶態高聚物的玻璃化溫度 g。
針入度法與彎曲法
採用壓縮探頭，典型應用是測定維卡式軟化溫度，按規定用直徑為 採用壓縮探頭，典型應用是測定維卡式軟化溫度，按規定用直徑為1mm的 的 圓頭針狀探頭，在其頂上加上1kg重的砝碼，昇溫速率為 ±5℃/h或120±12 重的砝碼， 圓頭針狀探頭，在其頂上加上 重的砝碼 昇溫速率為50± ℃ 或 ± 條件下， 時的溫度， ℃/h條件下，探頭刺入試樣深度 條件下 探頭刺入試樣深度1mm時的溫度，定義為軟化溫度，由於方法、 時的溫度 定義為軟化溫度，由於方法、 條件、昇溫速率及加載重量等不同，其結果有較大差別，左圖為聚脂/聚醯 條件、昇溫速率及加載重量等不同，其結果有較大差別，左圖為聚脂 聚醯 胺聚醯亞胺利用針入法測得的溫度-形變曲線 採用彎曲探頭， 形變曲線。 胺聚醯亞胺利用針入法測得的溫度 形變曲線。採用彎曲探頭，將矩型試樣 在中心處施加負荷進行彎曲試驗，測定高分子材料在荷重下的彎曲形變溫度， 在中心處施加負荷進行彎曲試驗，測定高分子材料在荷重下的彎曲形變溫度， 施加應力為1.875MPa，昇溫速率為 ℃/min，試樣彎曲變形到 施加應力為 ，昇溫速率為5℃ ，試樣彎曲變形到0.254 mm時所 時所 對應的溫度即為彎曲形變溫度。 對應的溫度即為彎曲形變溫度。
拉伸法
採用拉伸探頭，將纖維或薄膜試樣裝在專用夾具上，然後放在內外套管之間， 採用拉伸探頭，將纖維或薄膜試樣裝在專用夾具上，然後放在內外套管之間， 外套管固定在主機架上，內套管上端施加荷重， 外套管固定在主機架上，內套管上端施加荷重，測定試樣在程控溫度下的溫 形變曲線， 形變曲線， 度-形變曲線，左圖為利用延伸探頭測定的幾種高分子材料的溫度 形變曲線， 形變曲線 左圖為利用延伸探頭測定的幾種高分子材料的溫度-形變曲線 此法定義軟化溫度是形變達到 定義軟化溫度是形變達到2%或 時的對應溫度 昇溫速率為2 時的對應溫度， 此法定義軟化溫度是形變達到 或1%時的對應溫度，昇溫速率為 ℃/min， ， 右圖為試樣產生收縮和延伸情況，若延伸形變先達到2%時 右圖為試樣產生收縮和延伸情況，若延伸形變先達到 時，仍按原定義定 出軟化溫度， 和 曲線 若試樣先收縮後延伸，即要定出2%收縮的熱形 曲線， 出軟化溫度，如1和2曲線，若試樣先收縮後延伸，即要定出 收縮的熱形 變溫度， 和 曲線與虛線 的交會點所對應的溫度，同時也要定出 曲線與虛線2%的交會點所對應的溫度 也要定出2%的 變溫度，如3和4曲線與虛線 的交會點所對應的溫度，同時也要定出 的 延伸熱形變溫度， 軟化溫度，不過不是從0%的形變算起 而是從最大收 的形變算起， 延伸熱形變溫度，即軟化溫度，不過不是從 的形變算起，而是從最大收 縮以後算起，形變2%時所對應的溫度 時所對應的溫度。 縮以後算起，形變 時所對應的溫度。
基本原理
基本結構
利用壓力模式的機械平衡桿對試片變形敏感度的熱分析裝置， 利用壓力模式的機械平衡桿對試片變形敏感度的熱分析裝置，圖形曲線是 以變形量為縱軸，溫度或時間為橫軸， 以變形量為縱軸，溫度或時間為橫軸，量測範圍界高度調整環維持在零點 上下5mm處，探針的施力量則經線性馬達控制在0~0.5N的範圍內。 處 探針的施力量則經線性馬達控制在 的範圍內。 上下 的範圍內 量測時，動態可變的應力系統可加裝於探針上， 量測時，動態可變的應力系統可加裝於探針上，量測前先將已知熔點的標 準試片置入熱機械分析儀，探針會穿透試片產生變形訊號， 準試片置入熱機械分析儀，探針會穿透試片產生變形訊號，曲線的形狀變 化溫度和標準試片的熔點比較即可作為溫度校正。 化溫度和標準試片的熔點比較即可作為溫度校正。 即可作為溫度校正
基本結構
溫度校正或試片量測時， 溫度校正或試片量測時，熱電偶在高溫爐內的位置必須與待測物維持固定 的距離，避免因爐內氣氛的變化造成所量測試片溫度的差異。 的距離，避免因爐內氣氛的變化造成所量測試片溫度的差異。探針的位移 量和荷重量也需經由已知厚度的試片與砝碼校正。 量和荷重量也需經由已知厚度的試片與砝碼校正。 熱機械分析儀量測時，試片的上下平面必須相互平行且光滑，視探針底面 熱機械分析儀量測時，試片的上下平面必須相互平行且光滑， 積和高溫爐大小，製作符合量測規格的試片，目前商業化的分析儀很多， 積和高溫爐大小，製作符合量測規格的試片，目前商業化的分析儀很多， 主要差異在試片放置方式、爐溫高低、 主要差異在試片放置方式、爐溫高低、接觸探針的材質型態以及變形模式 等，不同形式的接觸探針可適用於不同的量測需求。 不同形式的接觸探針可適用於不同的量測需求。