सामग्री परीक्षण में अंतर स्कैनिंग कैलोरिमेट्री के प्रमुख अनुप्रयोग

समझना डिफरेंशियल स्कैनिंग कैलोरिमेट्री और सामग्री विश्लेषण में इसकी भूमिका

क्या है डिफरेंशियल स्कैनिंग कैलोरिमेट्री (डीएससी)?

अंतर स्कैनिंग कैलोरिमेट्री, या संक्षेप में डीएससी, मूल रूप से एक प्रयोगशाला तकनीक है जिसका उपयोग नियंत्रित तरीके से तापमान परिवर्तन के दौरान एक नमूना सामग्री और कुछ निष्क्रिय के बीच कितनी गर्मी बहती है, को मापने के लिए किया जाता है। जब वैज्ञानिक ये परीक्षण करते हैं, तो वे उन ऊर्जा अवशोषित (एंडोथर्मिक) और रिलीज (एक्सोथर्मिक) घटनाओं के लिए सतर्क रहते हैं जो नमूने गर्म होने या ठंडा होने पर होते हैं। यह सामग्री में महत्वपूर्ण परिवर्तनों को पहचानने में मदद करता है जैसे कि जब चीजें पिघलती हैं, क्रिस्टल बनती हैं, या उन मुश्किल ग्लास संक्रमणों से गुजरती हैं। जो डीएससी को वास्तव में उपयोगी बनाता है वह यह है कि यह संख्याएं देता है जो हम वास्तव में मिलीवाट प्रति मिलीग्राम के साथ काम कर सकते हैं। ये माप हमें तुरंत बताते हैं कि पदार्थ कितना शुद्ध है, उसमें क्या है, और तापमान में उतार-चढ़ाव के दौरान यह कितना स्थिर रहता है। डीटीए जैसे पुराने तरीकों की तुलना में जो केवल विशिष्टताओं के बिना सामान्य रुझान दिखाते हैं, डीएससी वास्तव में उन सटीक एंथलपी परिवर्तनों (ΔH मान) की गणना करता है। इन संख्याओं को जानना बहुत महत्वपूर्ण है क्योंकि इंजीनियरों को उनकी आवश्यकता होती है विभिन्न सामग्रियों की तुलना करने के लिए जब वे अपने आवेदन के लिए सही चुनते हैं।

डीएससी सामग्री की सटीक ताप विशेषताओं को कैसे सक्षम करता है

डीएससी अपनी सटीकता को सावधानीपूर्वक नियंत्रित ताप गति और उचित आधारभूत सेटिंग से प्राप्त करता है। इस तकनीक में नवीनतम सुधार अब केवल 0.1 माइक्रोवाट तक गर्मी प्रवाह परिवर्तनों को पकड़ सकते हैं, जिसका अर्थ है कि शोधकर्ता सामग्री में वास्तव में छोटे चरण बदलावों को देख सकते हैं। 2024 से थर्मल विश्लेषण के आंकड़ों पर हालिया नज़र से पता चलता है कि जब परीक्षण किया जाता है कि पॉलिमर कैसे राज्यों के बीच संक्रमण करते हैं, तो डीएससी रीडिंग एक ही प्रयोग को कई बार दोहराने पर भी 2% से कम भिन्न होती है। उपकरणों को सही ढंग से कैलिब्रेट करना भी बहुत मायने रखता है। प्रयोगशालाओं में आमतौर पर इंडियम और जिंक जैसे मानक संदर्भ नमूनों का उपयोग किया जाता है, जो पिछले साल के पोनेमोन के निष्कर्षों के अनुसार त्रुटि के मार्जिन को लगभग प्लस या माइनस आधा डिग्री सेल्सियस तक कम करता है। ये सभी विशेषताएं बताती हैं कि डीएससी समय के साथ क्रिस्टल के निर्माण के तरीके, ऑक्सीकरण प्रक्रियाओं के दौरान क्या होता है और अन्य सभी प्रकार की थर्मल विशेषताओं का अध्ययन करने के लिए इतना महत्वपूर्ण क्यों है जो नई सामग्री विकसित करने में गहराई से मायने रखते हैं।

अंतर स्कैनिंग कैलोरिमेट्री का उपयोग करके पॉलिमर विशेषता

बहुलकों में कांच संक्रमण तापमान (Tg) का माप

अंतर स्कैनिंग कैलोरीमेट्री, या संक्षेप में डीएससी, एक पॉलिमर के कांच संक्रमण तापमान (टीजी) पर काफी सटीक रीडिंग देता है। यह मूल रूप से तब होता है जब सामग्री के गैर-क्रिस्टलीय भाग कठोर और भंगुर से नरम और लचीले होते हैं। जब हम ये परीक्षण करते हैं, हम देखते हैं कि गर्मी कैसे नमूना के माध्यम से बहती है जब हम इसे धीरे-धीरे गर्म करते हैं, आमतौर पर कहीं आधे से तीस डिग्री सेल्सियस प्रति मिनट के बीच। उपकरण ऊर्जा में उन छोटे परिवर्तनों को पकड़ता है जो Tg बिंदु के ठीक आसपास होते हैं। प्रयोगशालाओं ने पाया है कि पीईटी प्लास्टिक जैसे सामान्य पदार्थों में, विभिन्न सुविधाओं के बीच परिणामों में दस प्रतिशत से भी कम का अंतर होता है जब सभी एक ही डीएससी प्रक्रियाओं का पालन करते हैं। विशेष मामलों में भी मायने है। अफ़िनिसोल जैसी नमी अवशोषित करने वाली सामग्री को विशेष रूप से संभालने की आवश्यकता होती है। अधिकांश शोधकर्ता उन्हें पूरी तरह से हवा से अछूते कंटेनरों में रखते हैं जो एक निष्क्रिय गैस से भरे होते हैं ताकि पानी रीडिंग को गड़बड़ न करे। यह दृष्टिकोण दवा विकास में अच्छी तरह से काम करता है जहां शुद्धता के मानक बेहद उच्च हैं।

बहुलक सामग्री में क्रिस्टलिनिटी और पिघलने के व्यवहार का विश्लेषण

डीएससी पिघलने वाले अंतर्म को एकीकृत करके क्रिस्टलीयता को मापता है, जिसमें उच्च घनत्व वाले पॉलीएथिलीन (एचडीपीई) में आमतौर पर 60 से 80% क्रिस्टलीय सामग्री होती है। फास्ट-स्कैन डीएससी तकनीक (2050°C·मिन−1) अब नायलॉन-6 में मेटास्टेबल क्रिस्टलीय चरणों का पता लगाने में सक्षम है जो पारंपरिक तरीकों से चूक जाते हैं। पुनः क्रिस्टलीकरण एक्सोथर्म के प्रति तकनीक की संवेदनशीलता भी इंजेक्शन-मोल्ड्ड पॉलिमर के लिए प्रसंस्करण तापमान को अनुकूलित करने में मदद करती है।

थर्मोसेटिंग पॉलिमर में कटिंग रिएक्शन की निगरानी

एपॉक्सी राल उत्पादन में, डीएससी एक्सोथर्मिक शिखरों के माध्यम से कठोरता गतिशीलता को ट्रैक करता है, जिसमें हीटिंग दर (2.515°C·min−1) प्रतिक्रिया सक्रियण ऊर्जाओं से सीधे संबंधित होती है। हाल के उपचार अनुकूलन अध्ययनों से पता चलता है कि डीएससी-व्युत्पन्न समय-तापमान-परिवर्तन (टीटीटी) आरेख पोलीयूरेथेन फोम में उपचार के बाद के दोषों को 42% तक कम करते हैं।

केस स्टडीः डीएससी के साथ पॉलीएथिलीन उत्पादन में गुणवत्ता नियंत्रण

एक प्रमुख बहुलक निर्माता ने पॉलिथिलीन पेलेट पर डीएससी आधारित क्रिस्टलीयता जांच लागू करने के बाद बैच परिवर्तनशीलता को 31% कम कर दिया। स्वचालित पीक विश्लेषण एल्गोरिदम अब 12 मिनट के परीक्षण चक्रों के भीतर पिघलने के एंथलपी (लक्ष्यः 290310 J·g−1) में ± 5% विचलन का संकेत देते हैं।

दवा विकास में अंतर स्कैनिंग कैलोरिमेट्री

पोलीमॉर्फ का पता लगाना और ड्रग्स में स्क्रीनिंग

अंतर स्कैनिंग कैलोरिमेट्री, या संक्षेप में डीएससी, वास्तव में महत्वपूर्ण है जब यह दवाओं में उन सक्रिय अवयवों के विभिन्न बहुरूप रूपों को खोजने की बात आती है। ये रूप वास्तव में एक दवा के भंग होने और शरीर में अवशोषित होने में बहुत फर्क कर सकते हैं। पिछले साल प्रकाशित कुछ शोधों में कुछ बहुत ही चौंकाने वाला पता चला: लगभग दस में से सात दवा विकास परियोजनाएं विफल हो जाती हैं क्योंकि किसी ने भी इन बहुरूप परिवर्तनों को नहीं देखा। डीएससी को इतना मूल्यवान बनाने वाली बात यह है कि जब सामग्री चरण बदलती है तो इसकी क्षमता छोटी ऊर्जा परिवर्तनों को पकड़ने की होती है। इससे वैज्ञानिक कम स्थिर गामा क्रिस्टलीय रूप और अधिक स्थिर अल्फा क्रिस्टलीय संरचना जैसे चीजों को अलग कर सकते हैं। दवा कंपनियों के लिए, इसका मतलब है कि वे अपने विकास की प्रक्रिया की शुरुआत से ही सही बहुरूप चुनकर बाद में खुद को एक टन पैसा बचा सकते हैं, बजाय सड़क पर सब कुछ फिर से करने के।

दवा-सहायक पदार्थ संगतता का मूल्यांकन थर्मल विश्लेषण

डीएससी थर्मल इंटरैक्शन की निगरानी करके एपीआई और सहायक तत्वों के बीच संगतता परीक्षण को तेज करता है। यूटेक्टिक गठन तापमान-निर्भर मिश्रण क्षमता के मुद्दों को दर्शाता है, जबकि निर्जलीकरण शिखर हाइड्रेशन-संचालित असंगतता को हाइग्रोस्कोपिक सहायक पदार्थों में प्रकट करते हैं। 2024 की एक उद्योग रिपोर्ट में पारंपरिक तरीकों की तुलना में संगतता स्क्रीनिंग के लिए डीएससी का उपयोग करते समय 60% तेज़ फॉर्मूलेशन अनुकूलन चक्र दिखाया गया।

स्थिरता परीक्षण और शेल्फ जीवन पूर्वानुमान के लिए डीएससी का उपयोग करना

अंतर स्कैनिंग कैलोरिमेट्री हमें संख्याएं देती है कि कैसे ऑक्सीकरण या पुनः क्रिस्टलीकरण जैसी प्रक्रियाओं के माध्यम से समय के साथ सामग्री टूट जाती है, जो बहुत जरूरी है अगर हम यह पता लगाना चाहते हैं कि उत्पाद कब तक अलमारियों पर रहेंगे। जब वैज्ञानिकों को अवशोषण प्रतिक्रियाओं के दौरान इन सक्रियण ऊर्जा स्तरों को देखते हैं, वे बेहतर हैंडल प्राप्त करते हैं कि क्या होता है जब चीजें सामान्य परिस्थितियों की अनुमति से अधिक तेजी से उम्र बढ़ने लगती हैं। 2023 से हाल ही में हुए एक अध्ययन में भी कुछ प्रभावशाली परिणाम सामने आए। उन्होंने पाया कि डीएससी का उपयोग करके की गई भविष्यवाणियां विभिन्न तापमान स्थितियों में रखे गए टीके के नमूनों के लिए वास्तविक शेल्फ जीवन परीक्षणों के साथ लगभग 95 प्रतिशत सटीकता के साथ मेल खाती हैं। इस तरह के संरेखण का अर्थ है कि कंपनियां अपने उत्पादों को बाजार में लगभग दो सप्ताह पहले ला सकती हैं, पारंपरिक तरीकों की अनुमति होगी, विकास चक्रों में समय और धन दोनों को बचाएगी।

धातुओं, मिश्र धातुओं और उन्नत सामग्री में डीएससी के अनुप्रयोग

मिश्र धातुओं में चरण संक्रमण और ताप उपचार प्रभाव का पता लगाना

अंतर स्कैनिंग कैलोरीमेट्री, या संक्षिप्त रूप से डीएससी, निर्माताओं को यह जानने के लिए मूल्यवान जानकारी देती है कि गर्म करने और ठंडा करने की प्रक्रियाओं के दौरान औद्योगिक मिश्र धातुओं के चरणों में परिवर्तन होने पर क्या होता है। यह तकनीक इन तापमान परिवर्तनों को ट्रैक करके काम करती है, जो यह निर्धारित करने में मदद करती है कि विमान भागों में इस्तेमाल किए जाने वाले टाइटेनियम मिश्र धातुओं में पुनः क्रिस्टलीकरण कब शुरू होता है, जबकि विभिन्न उपकरण स्टील्स में कार्बाइड गठन पर भी टैब रखता है। पिछले साल के हालिया शोध में भी कुछ प्रभावशाली परिणाम सामने आए। जब कंपनियों ने डीएससी के आंकड़ों के आधार पर अपने गर्मी उपचारों को अनुकूलित किया, तो उन्होंने देखा कि कुछ मिश्र धातुओं से बने टरबाइन ब्लेड पुराने तरीकों से इलाज किए गए लोगों की तुलना में पहनने के संकेत दिखाने से पहले लगभग 18 प्रतिशत अधिक समय तक रहते हैं। इस प्रकार के सुधार उद्योगों में बहुत महत्वपूर्ण हैं जहां घटक की विफलता के गंभीर परिणाम हो सकते हैं।

औद्योगिक धातु प्रसंस्करण में फ्यूजन की गर्मी का माप

अंतर स्कैनिंग कैलोरीमीटर मापता है कि सामग्री ठोस से तरल अवस्था में बदलने पर कितनी ऊर्जा की आवश्यकता होती है, धातु कास्टिंग और 3 डी प्रिंटिंग उद्योगों में काम करने वाले लोगों के लिए वास्तव में महत्वपूर्ण कुछ। जब ज़ंक मिश्र धातुओं की बात आती है जो आम तौर पर मरम्मत कास्टिंग प्रक्रियाओं में उपयोग की जाती हैं, तो हम देखते हैं कि उत्पादन के दौरान वे कितनी तेजी से ठंडा होते हैं, इसके आधार पर उनके संलयन की गर्मी लगभग 180 से 220 जोल प्रति ग्राम के बीच होती है। इस तरह की जानकारी निर्माताओं के लिए सोने की धूल है जो अपने उत्पादों में उन कष्टप्रद छिद्रों की समस्याओं को कम करने की कोशिश कर रहे हैं। एल्युमिनियम-सिलिकॉन मिश्र धातु के बैचों के लिए डीएससी परीक्षण और भी महत्वपूर्ण हो जाता है। यदि लातों के बीच संलयन एंथलपी रीडिंग में 5 प्रतिशत से अधिक का अंतर है, तो इसका मतलब आमतौर पर आगे की समस्याओं के साथ संरचनात्मक अखंडता की समस्याओं के साथ होता है।

चरण परिवर्तन सामग्री और नैनो कंपोजिट की विशेषता

अंतर स्कैनिंग कैलोरीमेट्री विभिन्न नैनो कंपोजिटों को गर्म होने पर स्थिर रहने के तरीके का अध्ययन करने में महत्वपूर्ण भूमिका निभाता है, जैसे सिलिका प्रबलित बहुलक और चरण परिवर्तन सामग्री छिपी गर्मी को संग्रहीत करने के तरीके को देखते हुए। हमने हाल के कुछ रोचक काम देखे हैं जहाँ शोधकर्ताओं ने बैटरी में गर्मी के प्रबंधन के लिए ग्राफीन-संवर्धित पीसीएम का परीक्षण किया, और उन्होंने जो पाया वह काफी प्रभावशाली था, वास्तव में लगभग 40 प्रतिशत की वृद्धि इन सामग्रियों में कितनी अच्छी तरह से दोहराए जाने वाले हीटिंग चक्रों को संभालने में। इसके अलावा, कई प्रयोगशालाएं इलेक्ट्रॉनिक उपकरणों में इस्तेमाल होने वाली थर्मल इंटरफेस सामग्री की जांच करने के लिए भी इस तकनीक की ओर रुख कर रही हैं। शीर्ष अनुसंधान सुविधाएं डीएससी विश्लेषण के माध्यम से उत्पन्न चरण आरेखों पर निर्भर करती हैं ताकि यह महसूस किया जा सके कि ऑपरेशन के दौरान अपनी सीमाओं तक धकेल दिए जाने पर विभिन्न नैनोकॉम्पोसिट फॉर्मूलेशन कैसे प्रदर्शन करेंगे।

अंतर स्कैनिंग कैलोरिमेट्री में उभरते रुझान और सर्वोत्तम अभ्यास

नमूना तैयारी और उपकरण कैलिब्रेशन का अनुकूलन

नमूनों को सही ढंग से तैयार करना और यह सुनिश्चित करना कि सब कुछ ठीक से कैलिब्रेट हो, अंतर स्कैनिंग कैलोरीमेट्री या डीएससी के साथ काम करते समय लगभग 60 से 80 प्रतिशत सटीक माप बनाता है जैसा कि इसे आमतौर पर कहा जाता है। एएसटीएम के हालिया शोध ने 2023 में कुछ दिलचस्प भी दिखाया। जब कण 200 माइक्रोमीटर से बड़े होते थे, तो अलग-अलग प्लास्टिक के लिए हम ग्लास ट्रांजिशन पॉइंट को मापने में लगभग 15% अंतर होता था। जो कोई भी इन परीक्षणों को चलाता है, उसके लिए कुछ अच्छी युक्तियाँ हैं। परीक्षण के दौरान वाष्पित होने वाले नमूनों के लिए उन सील कंटेनरों का प्रयोग करें। तापमान के अंकन और गर्मी सामग्री दोनों को इंडियम मानकों का उपयोग करके कैलिब्रेट करें जहां संलयन एंथलपी 28.4 जूल प्रति ग्राम पर स्थित है। और उन आधारभूत समायोजनों को करना न भूलें ताकि बाहरी हवा परिणामों को भी प्रभावित न करे।

उद्योग में फास्ट-स्कैन डीएससी और उच्च-थ्रूपुट तकनीकें

फास्ट-स्कैन डीएससी (500°C/मिनट तक की दरों) विश्लेषण समय को घटा देता है 40% नैनोमटेरियल्स और फार्मास्यूटिकल्स में तेजी से चरण संक्रमण को पकड़ते हुए। अब निर्माताओं को प्रक्रिया करने के लिए रोबोट ऑटो नमूनाकरण एकीकृत प्रतिदिन 200 से अधिक नमूने , जो पॉलिमर उत्पादन लाइनों में वास्तविक समय में गुणवत्ता जांच को सक्षम बनाता है।

डीएससी का भविष्यः एआई-संवर्धित डेटा विश्लेषण और बहु-मोडल प्लेटफार्मों के साथ एकीकरण

मशीन लर्निंग में हालिया प्रगति ने पिछले साल मटेरियल साइंस जर्नल में प्रकाशित शोध के अनुसार, 92% की प्रभावशाली सटीकता के साथ समय के साथ सामग्री के विघटन का अनुमान लगाने के लिए थर्मल डेटा पर प्रशिक्षित एल्गोरिदम को सक्षम किया है। नई विश्लेषणात्मक प्रणालियों में अंतर स्कैनिंग कैलोरीमेट्री (डीएससी), थर्मोग्रैविमेट्री विश्लेषण (टीजीए), और फूरियर ट्रांसफॉर्म इन्फ्रारेड स्पेक्ट्रोस्कोपी (एफटीआईआर) जैसी तकनीकें शामिल हैं। इन संयोजनों से व्यापक मॉडल बनते हैं जो न केवल गर्मी से संबंधित परिवर्तनों को पकड़ते हैं बल्कि एक साथ रासायनिक परिवर्तन और यांत्रिक गुणों को भी पकड़ते हैं। आगे देखते हुए, उद्योग के अंदरूनी सूत्रों ने बताया कि कई क्षेत्रों में किए गए नवीनतम बाजार सर्वेक्षणों के अनुसार, दस में से लगभग सात प्रयोगशालाएं अगले कुछ वर्षों के भीतर इन एआई संवर्धित डीएससी प्लेटफार्मों को लागू करने का इरादा रखती हैं।

सामान्य प्रश्न

डीएससी का प्रयोग करके किन सामग्रियों का परीक्षण किया जा सकता है?

डीएससी का प्रयोग बहुलक, धातु, मिश्र धातु, दवा और नैनो कंपोजिट के परीक्षण के लिए किया जाता है।

डीएससी माप कितने सटीक हैं?

डीएससी माप सही ढंग से कैलिब्रेट होने पर त्रुटि मार्जिन प्लस या माइनस आधा डिग्री सेल्सियस के साथ 0.1 माइक्रोवाट तक गर्मी प्रवाह परिवर्तन का पता लगा सकते हैं।

दवा विकास में डीएससी का महत्व क्यों है?

डीएससी दवा अवयवों के विभिन्न बहुरूप रूपों का पता लगाने में मदद करता है, संगतता परीक्षण को तेज करता है और शेल्फ जीवन की सटीक भविष्यवाणी करता है।

औद्योगिक धातु प्रसंस्करण में डीएससी की क्या भूमिका है?

डीएससी पिघलने की प्रक्रियाओं में आवश्यक ऊर्जा को मापने में मदद करता है, जो उत्पाद की गुणवत्ता और संरचनात्मक अखंडता सुनिश्चित करने के लिए कास्टिंग और 3डी प्रिंटिंग उद्योगों के लिए महत्वपूर्ण है।