Високоточен диференциален сканиращ калориметър за термичен анализ и изпитване на материали

Основен принцип на Диференциална Сканираща Калориметрия (DSC)

Диференциалната сканираща калориметрия, по-известна като DSC, основно проследява количеството топлина, което навлиза или излиза от даден материал в сравнение с празен контейнер при повишаване на температурата. Материалите често се държат по различен начин, когато преминават през промени като стопяване на твърди вещества в течности, образуване на кристали от разтопено състояние или преход от твърдо към гъвкаво състояние. По време на тези преобразувания те или абсорбират, или отделят топлина, което води до забележими промени в общия топлинен модел. Специални уреди улавят тези малки промени и ги преобразуват в ценна информация за неща като количеството енергия, участващо в реакции, дали веществата ще останат стабилни при определени температури и точно при каква температура се появяват различните фази според последно публикувано изследване в списание Journal of Термичен анализ миналата година.

Топлинен поток срещу компенсация на мощността: Типове DSC и техните експлоатационни различия

Има по същество два вида диференциални сканиращи калориметрични настройки: модели с топлинен поток и с компенсация на мощността. При DSC с топлинен поток пробите и референциите споделят една и съща пещ, където температурните вариации се засичат чрез масиви от термопревръзки, разположени стратегически около цялата конструкция. Лабораториите често избират този вариант, защото е по-икономичен и напълно достатъчен за повечето стандартни нужди при тестване на полимери. Другият подход – DSC с компенсация на мощността – прави следващата крачка напред, като предоставя отделна пещ за всяка проба. Тези системи постоянно нагласяват входящата си енергия, за да поддържат еднаква температура в различните камери. Какво отличава тези уреди? Те могат да засичат изключително малки промени – до само 0,1 микровата, което означава, че откриват бързи процеси или едва забележими преобразувания в материала, които биха останали незабелязани от по-малко чувствителни уреди, особено при наблюдение на това как епоксидите всъщност се втвърдяват с времето.

Разбиране на топлинни преходи: преходна температура на стъкло, топене и кристализация

DSC засича три основни топлинни събития:

• Температура на стъклен преход (Tg) : Стъпково изменение в топлоемкостта, което показва мекотата на аморфни материали като пластмасите.
• Температура на топене (Tm) : Ендотермичен пик, сочещ разграждането на кристалната структура при полимери или метали.
• Пикове на кристализация : Екзотермични сигнали, показващи колко бързо полу-кристални материали образуват подредени структури при охлаждане.

Тези преходи осигуряват информация за решения относно гъвкавостта на материала, условията за обработка и стабилността на формулациите. Например, понижение с 5°C в Tg може да укаже загуба на пластификатор в PVC, което влияе на издръжливостта на продукта.

Измерване на енталпийни промени и засичане на преходи с ниска енергия

За да изчислят промените в енталпията (ΔH), учените интегрират площта под топлинните пикове, наблюдавани на DSC кривата. Когато видим голяма стойност на ΔH по време на топене, например около 200 джаула на грам, това обикновено означава, че в полимерния материал присъства значителна степен на кристални области. От друга страна, тези малки екзотермични сигнали, може би около 1,2 J/g, често сочат непълни процеси на вулканизация в различни смолни системи. Най-новото поколение аналитично оборудване е постигнало много добра чувствителност при засичане на дори най-малките преходи на енергия, до около половин милиджаул. Тази възможност позволява изследването на различни видове материали, които преди са били твърде трудни за анализ, включително изключително тънки филмови слоеве, микроскопични покрития, нанесени върху повърхности, и други миниатюрни типове проби, при които традиционните методи просто не са достатъчно ефективни.

Ограничения в точността при слаби или застъпващи се топлинни събития

DSC осигурява доста добра точност около плюс или минус 0,1 градуса по Целзий, но все още има затруднения при засичането на много малки преходи под около 0,2 джаула на грам. Помислете за неща като вторични релаксации, които се случват в еластомерни материали. Когато различни процеси се случват едновременно, например когато пластмасата започне да се топи, докато едновременно се разгражда в рециклирани продукти, резултатите се смесват и стават трудни за интерпретация. Тук на помощ идва модулираната DSC. Този метод добавя вълнообразен модел към промените в температурата по време на тестване. Резултатът е възможността да се разграничават обратимите явления, като температурите на стъклен преход, от необратимите, като химическо вулканизиране или разграждане на материала. Краен резултат? Много по-ясни данни и по-добра общо взето резолюция в измерванията. Тълкуване на DSC термограми: Анализ на топлинни събития и количествена оценка на свойствата на материалите

Четене на DSC криви: Идентифициране на Tg, Tm и пикове на кристализация

ДСК термограмите по същество показват количеството топлина, което преминава през проба при нейното нагряване, като сочат кога материалите претърпяват важни промени. При анализиране на тези графики обикновено виждаме точката на стъклен преход като стъпаловидна промяна в основната линия на измерването. Топенето обикновено създава възходящи върхове, тъй като поглъща топлина (ендотермично), докато кристализацията се проявява като низходящи върхове, защото отделя топлина (екзотермично). Вземете например полиетилена – този често срещан полукристален полимер обикновено се топи при температура между 110 и 135 градуса по Целзий, като точната стойност зависи от молекулярната подредба. Днес повечето съвременни ДСК уреди могат да измерват температурите на стъклен преход с точност до 0,1 градуса. Такава прецизност е от решаващо значение в области като фармацевтиката, където малки разлики в температурата могат да повлияят на стабилността на лекарствата, както и при разработването на нови пластмаси за различни промишлени приложения.

Количествен анализ: Изчисляване на енталпия, чистота и степен на вулканизация

Диференциалната сканираща калориметрия работи, като анализира площите на пиковете, за да определи промените в енталпията (ΔH), които се появяват по време на физически или химични процеси. Когато става въпрос за термореактивни материали, сравнението на стойностите на ΔH между проби ни дава представа колко напълно са се вулканизирали те, обикновено с точност от около 2% според стандарти на ASTM. Говорейки за проверка на чистота, съществува един полезен инструмент, наречен уравнението на ван'т Хоф, което помага да се установи връзка между понижаването на точката на топене и концентрацията на примеси до половин мол процент. Този детайл е изключително важен за осигуряване на съответствие с качествените изисквания във фармацевтичната индустрия.

Откриване на поведението при вулканизация на термореактивни материали и реакции на напречно свързване

Епоксидните и полиуретанови отвърдявания генерират екзотермични пикове, чиято форма и начало разкриват кинетиката на реакцията и активиращата енергия. Плещите на пиковете или асиметричните криви често показват многостепенно свързване, което помага на инженерите да оптимизират циклите на отвърждаване и да избягват недостатъчно или прекомерно отвърждаване.

Предизвикателства при деconvolution-а на застъпващи се топлинни събития

Комплексните материали могат да показват застъпващи се преходи — като например стопяване, съвпадащо с оксидативна деградация — което затруднява интерпретацията. Отклоненията на базовата линия и шумът допълнително затрудняват точното интегриране. Сложни инструменти за ограждане на криви и MDSC помагат за решаване на тези проблеми, като изолират отделните компоненти.

Модулиран DSC (MDSC): Подобряване на резолюцията в сложни материали

MDSC прилага модулиран профил на нагряване (например, линеен наклон със синусоидални осцилации), за да раздели общия топлинен поток на обръщащи се (свързани с топлоемкостта) и необръщащи се (кинетични) компоненти. Това подобрява откриването на слаби преходи като Tg в армирани гумени състави до 40% според полимерни изследвания от 2022 г.

Основни приложения на Диференциален сканиращ калориметр в промишлеността и научните изследвания

DSC е основен метод за топлинна характеристика в различни сфери, осигуряващ познания за поведението на материалите при контролирано нагряване или охлаждане.

Полимери и пластмаси: топлинна характеристика и анализ на деградация

DSC предоставя съществена информация за Tg, Tm, кристалност и оксидативна стабилност. Температурите на началото на деградация могат да се измерват с точност ±0,5°C, което подпомага прогнозирането на дългосрочната устойчивост при топлинно напрежение. Тази информация насочва параметрите на процесиране и оценките за срок на служба.

Съответствие със стандарти ASTM за възпроизводими изпитвания на пластмаси

За осигуряване на съгласуваност лабораториите следват ASTM E794 (температури на топене/замръзване) и ASTM E2716 (време за окислителна индукция). Стандартизирани процедури — включително скорости на нагряване от 10°C/min и определени потоци на изчистващ газ — намаляват вариацията между лабораториите до 30%.

Фармацевтика: полиморфизъм, стабилност на формулирането и разработване на лекарства

Полиморфните форми на активните фармацевтични съставки (АФС) проявяват различни топлинни профили, което влияе върху разтворимостта и биодостъпността. DSC идентифицира тези форми още в ранните етапи на разработване. Доклад от 2024 г. показва, че измерванията на ΔH корелират със съвместимостта на адювантите с точност от 92% в сравнение с ускорени тестове за стабилност.

Хранителна наука: кристализация на мазнини, прогнозиране на срока на годност и контрол на качеството

В производството на шоколад DSC анализира кристализацията на какаовото масло, за да се прецизира темперирането и да се предотврати появата на мазнинен цвят. Устройството също така засича ретроградацията на нишестето с чувствителност до 0,1 J/g, което помага за оптимизиране на текстурата и срока на годност на печените храни.

Оценка на чистотата на материала и оценка на производителността в различни индустрии

Металурозите използват ДСК за наблюдение на фазовите преобразувания в сплавите, докато формулиращите адхезиви анализират кинетиката на вулканизация, за да усъвършенстват графиците за свързване. Във фармацевтиката анализът на понижаване на точката на топене постига чувствителност от 99,8% при откриването на следи от примеси.

ЧЗВ

Какво е Диференциална Сканираща Калориметрия (DSC)?

Диференциалната сканираща калориметрия (DSC) е метод, който измерва количеството топлина, което преминава в или извън материал, докато той претърпява промени в температурата, което помага при анализа на фазови преходи, стабилност и енергийно участване в реакции.

Какви са основните типове ДСК, които се използват?

Двете основни вида ДСК конфигурации са модели с топлинен поток и компенсация на мощността, като всеки от тях засича температурни вариации и енергийни входове чрез различни механизми.

Какви са приложенията на ДСК в индустрията?

DSC се прилага широко в полимерите, фармацевтиката, хранителната наука и оценките на чистотата на материали за термична характеристика, анализ на деградация, стабилност на формули и контрол на качеството.