按 ISO 11357 标准的塑料热分析测试

ISO 11357 是国际标准化组织（ISO）制定的塑料热分析测试标准系列，涵盖了差示扫描量热法（DSC）、热重分析法（TGA）、热机械分析（TMA）等多种热分析技术，用于评估塑料在温度变化过程中的物理和化学特性（如相变、热稳定性、热膨胀等）。以下从标准核心内容、主要测试方法及汽车塑料应用场景等方面详细说明：

一、标准体系与核心目的

ISO 11357 由多个部分组成，针对不同热分析技术制定规范，核心目的是：

• 统一塑料热分析的测试方法和数据表达形式，确保结果的可重复性和可比性；

• 通过热性能参数（如熔点、玻璃化转变温度、热分解温度）评估塑料的加工适应性、使用温度范围及耐久性。

主要部分包括：

• ISO 11357-1：总则（术语、通用测试原则、仪器要求）；

• ISO 11357-2：差示扫描量热法（DSC）—— 测定相变温度、焓变等；

• ISO 11357-3：热重分析法（TGA）—— 测定热稳定性、成分分析；

• ISO 11357-4：热机械分析（TMA）—— 测定热膨胀系数、软化温度；

• ISO 11357-5：动态机械分析（DMA）—— 测定粘弹性（如储能模量、损耗因子）。

二、核心测试方法与汽车塑料应用

1. 差示扫描量热法（DSC，ISO 11357-2）

原理：在程序控温下，测量样品与参比物之间的热流差，反映样品吸热或放热过程（如相变、结晶、氧化等）。

关键参数与应用：

• 玻璃化转变温度（Tg）：

• 塑料从玻璃态（硬脆）转变为高弹态（柔韧）的温度，是塑料使用温度的重要界限（如汽车内饰件的 Tg 需高于车内最高温度，避免变形）。

• 测试：通过 DSC 曲线的基线偏移确定，常见塑料 Tg：PP 约 - 10℃，PC 约 150℃，ABS 约 105℃。

• 熔点（Tm）与结晶温度（Tc）：

• 对结晶性塑料（如 PP、PA），Tm 是固态变液态的温度（影响加工温度，如注塑成型需高于 Tm）；Tc 是液态变固态时的结晶温度（影响冷却工艺）。

• 测试：DSC 曲线中的吸热峰（Tm）或放热峰（Tc）。

• 热焓（ΔH）：

• 相变过程的热量变化（如结晶焓、熔融焓），用于评估结晶度（结晶度越高，材料强度和耐热性越好，如汽车发动机罩盖用 PA66 的高结晶度设计）。

• 氧化诱导期（OIT）：

• 塑料在氧气中开始氧化放热的时间，反映耐热氧老化能力（如汽车发动机周边塑料需长 OIT，避免高温下快速降解）。

2. 热重分析法（TGA，ISO 11357-3）

原理：在程序控温下，测量样品质量随温度的变化，用于分析热分解、挥发物含量、填充剂比例等。

关键参数与应用：

• 热分解温度（Td）：

• 样品质量开始显著下降的温度（通常取质量损失 5% 或 10% 时的温度），是塑料耐热性的核心指标（如汽车排气管隔热罩用塑料需 Td＞200℃）。

• 对比不同气氛（空气、氮气）下的 Td，可区分热分解（氮气中）和热氧化分解（空气中）。

• 成分分析：

• 低分子量挥发物（如增塑剂）在低温段失重；

• 聚合物基体在中高温段分解；

• 无机填充剂（如玻纤、炭黑）在高温下残留（用于计算填充量，如汽车保险杠 PP 中玻纤含量通常为 10%~30%）。

• 多步失重曲线可解析塑料中的组分，如：

• 残留量：

• 高温（如 800℃）下的剩余质量，用于测定无机添加剂（如阻燃剂、颜料）的含量（如汽车线束护套的阻燃塑料需验证阻燃剂比例是否达标）。

3. 热机械分析（TMA，ISO 11357-4）

原理：在程序控温下，测量样品在恒定载荷下的尺寸变化，评估热膨胀、软化行为。

关键参数与应用：

• 线性热膨胀系数（CLTE）：

• 温度每升高 1℃的尺寸变化率（分线膨胀和体积膨胀），影响塑料与其他材料的匹配性（如汽车塑料零件与金属支架的 CLTE 需接近，避免冷热循环下产生应力开裂）。

• 测试方向：对纤维增强塑料（如 GMT 片材）需区分纵向和横向 CLTE（因纤维会抑制膨胀）。

• 软化温度（Ts）：

• 样品在特定载荷下开始明显变形的温度（如维卡软化点），用于评估塑料在受力下的耐热性（如汽车仪表板在阳光直射下的抗变形能力，需 Ts 高于车内最高温度）。

4. 动态机械分析（DMA，ISO 11357-5）

原理：在程序控温下，对样品施加周期性交变应力，测量其应力 - 应变响应，评估粘弹性（储能模量、损耗因子）。

关键参数与应用：

• 储能模量（E'）：反映材料的刚性（弹性部分），随温度升高而下降，Tg 附近会出现明显突变（用于验证 DSC 测得的 Tg，且更敏感于微量相转变）。

• 损耗因子（tanδ）：反映能量损耗（粘性部分），tanδ 峰值对应 Tg（可区分塑料中的多元相，如 ABS 中的 PB 相 Tg 较低，SAN 相 Tg 较高）。

• 应用场景：评估塑料的低温脆性（如汽车外饰件在 - 40℃下的抗冲击性，需 E' 不过高、tanδ 不过低）、高温下的尺寸稳定性（如发动机舱线束固定件的 E' 衰减速率）。

三、测试条件的关键设定

1. 温度范围：

• 通用塑料（PP、PE）：-100℃~300℃；

• 工程塑料（PA、PC）：-100℃~500℃；

• 高温塑料（PEEK）：室温～600℃。

• 根据塑料类型和应用场景选择，如：

2. 升温速率：

• 影响峰形和测试精度，通常为 5~20℃/min（速率越快，峰温越高、峰宽越大，需在标准中统一，如 DSC 常用 10℃/min）。

3. 气氛：

• 惰性气氛（氮气）：用于避免氧化，测定纯热分解行为；

• 空气 / 氧气：用于评估氧化稳定性（如 OIT 测试）；

• 真空：用于分析低沸点挥发物。

4. 样品状态：

• 形状：薄膜、颗粒、块状（需均匀且无气泡，TGA 样品通常粉碎以增加表面积）；

• 质量：DSC 约 5~10 mg，TGA 约 10~50 mg，TMA/DMA 根据夹具调整（需保证热传导均匀）。

四、汽车塑料测试的特殊考量

1. 模拟实际工况：

• 对长期使用的零件（如车门把手），需结合老化测试（如湿热老化）后再进行热分析，评估性能衰减（如老化后 Tg 是否下降、OIT 是否缩短）。

• 对受力部件（如底盘护板），TMA 测试需模拟实际载荷（如按安装压力设定 TMA 的施加力）。

2. 与其他标准协同：

• 热分析结果需结合力学测试（如 ISO 527 拉伸、ISO 179 冲击），全面评估塑料性能（如 Tg 以下的塑料冲击强度更高，Tg 以上则下降）。

• 与耐候性标准（如 ISO 4892）结合，验证紫外线老化对热稳定性的影响（如汽车外饰件的 PP 在老化后 Td 是否降低）。

五、数据记录与报告要求

根据 ISO 11357-1，测试报告需包含：

• 样品信息（名称、批号、形态、预处理方式）；

• 仪器型号、测试参数（温度范围、升温速率、气氛、样品质量）；

• 原始曲线（如 DSC 热流 - 温度曲线、TGA 质量 - 温度曲线）；

• 关键参数值（如 Tg、Tm、Td、CLTE）及计算方法；

• 测试偏差（如重复测试的标准差）。

ISO 11357 系列标准为汽车塑料的热性能评估提供了系统化方法，帮助制造商在设计阶段筛选材料（如选择高 Tg 的 PC 用于车灯外壳）、优化加工工艺（如根据 Tm 设定注塑温度），并验证零件在汽车全生命周期内的耐热可靠