■型創科技 / 劉文斌 技術總監
技術簡介
熱機械分析(Thermomechanical Analysis, TMA) 量測技術可以用來分析材料的物理特性隨著溫度的變化而如何變動。除了可以量測材料樣品的膨脹(expansion)和張力(tension) 的變化外，熱機械分析儀還能夠進行穿透(penetration)、固定荷載速率(constant rate loading) 和固定拉伸速率(constant rate elongation)等測試條件的測量分析。當施加的荷載以固定速率變化時，可量測樣品所對應的伸長率變化。而固定拉伸速率量測時是保持樣品的固定伸長率下量測所需的荷載或作用力的變化情況。本技術文稿將介紹穿透與固定拉伸速率的量測分析範例。
PMMA 軟化溫度的測量（ 穿透模式-Penetration Mode）
穿透測量模式主要用於確定塑料材料的軟化溫度或熱變形溫度。軟化溫度可作為評估材料在應用場合時的耐熱性能指標。TMA 的穿透測試模式是利用一支直徑為0.5mm 的探針，在荷載重量設定為50g，以施加在樣品表面上的壓力約為25.5kg/cm2 的測試條件進行穿透模式測試。當測試樣品達到稍微軟化的溫度時，高壓力的探針將會穿入樣品。而TMA 儀器的高精度感測，甚至穿透深度在1 微米(μm) 也可以被檢測到，因此也可以允許薄膜樣品在厚度方向上進行測量。圖2 是PMMA（聚甲基丙烯酸甲酯）的軟化溫度量測結果。量測結果顯示PMMA 樣品的軟化溫度約在111.6° C 附近開始。
圖1：左為日本島津公司TMA 量測儀器的外觀；右為TMA 儀器的量測模式
圖2：PMMA 塑料的TMA 軟化溫度量測結果
PET 纖維熱應力的測量（張力模式-TensionMode）
此TMA 測試範例是利用固定伸長速率模式來量測材料的熱應力(Thermal Stress)。藉由保持固定的樣品伸長率，同時逐漸改變溫度並觀察應力的變化來測量熱應力。由熱應力的測量可驗證樣品的尺寸和形狀的穩定性。此TMA 範例是量測PET 纖維。纖維樣品被拉伸1% 變形量並進行加熱。由量測結果可觀察到拉伸應力在97.6° C 時會開始增加。這是由於細長纖維的內部分子結構發生收縮所造成應力升高。固定變形量的拉伸過程會造成內部分子結構的排向現象，在測試的升溫歷程上於某一特徵溫度下會開始產生收縮現象，因在該溫度下分子排向被釋放。隨後應力隨著溫度的升高而逐漸減小。通過此處分析的PET 纖維，應力在255° C 左右降至零，此時樣品發生熔化現象。
磁帶(Magnetic Tape) 收縮應力的測量（張力模式-Tension Mode）
此TMA 測試範例是將磁帶薄膜樣品以上述相同的張力測量模式來量測樣品的收縮應力。量測條件是將伸長率條件設定為零。當磁帶樣品受熱收縮時，會產生拉伸應力來抵抗收縮。樣品收縮應力的測量就可進行偵測此拉伸應力。由圖4 量測結果可觀察此磁帶樣品。收縮開始於100.7° C，產生的最大應力為27.2g。■
圖3：PET 纖維以TMA 量測熱應力的分析結果
圖4：磁帶樣品以TMA 量測收縮應力的分析結果
參考資料
[1].文章首圖引自https://www.tainstruments.com/tma-450/，分別為TA 儀器公司 熱機械分析儀(TMA) 設備產品，以及TMA 儀器量測區域細部構造
