เครื่องวิเคราะห์แคลอรีมิเตอร์แบบสแกนความแตกต่างความแม่นยำสูงสำหรับการวิเคราะห์ความร้อนและการทดสอบวัสดุ

หลักการพื้นฐานของ การวิเคราะห์แคลอริเมตรีแบบสแกนนิ่งเชิงความแตกต่าง (DSC)

การวัดแคลอรีแบบสแกนดิฟเฟอเรนเชียล หรือที่รู้จักกันในชื่อ DSC โดยพื้นฐานแล้วจะติดตามปริมาณความร้อนที่ไหลเข้าหรือออกจากวัสดุเมื่อเปรียบเทียบกับภาชนะเปล่าขณะที่อุณหภูมิเพิ่มขึ้น วัสดุมักแสดงพฤติกรรมที่แตกต่างกันเมื่อผ่านกระบวนการเปลี่ยนแปลง เช่น การหลอมของแข็งให้กลายเป็นของเหลว การเกิดผลึกจากของเหลว หรือการเปลี่ยนจากสถานะแข็งเป็นยืดหยุ่น ในระหว่างการเปลี่ยนแปลงเหล่านี้ วัสดุจะดูดซับหรือปล่อยความร้อน ซึ่งทำให้เกิดการเปลี่ยนแปลงที่สังเกตได้ในรูปแบบการถ่ายเทความร้อนโดยรวม เครื่องมือพิเศษจะตรวจจับการเปลี่ยนแปลงเล็กๆ เหล่านี้และแปลงเป็นข้อมูลที่มีค่าเกี่ยวกับสิ่งต่างๆ เช่น ปริมาณพลังงานที่เกี่ยวข้องกับปฏิกิริยา ความเสถียรของสารที่อุณหภูมิหนึ่งๆ และจุดที่แน่นอนซึ่งการเปลี่ยนเฟสต่างๆ เกิดขึ้น ตามงานวิจัยล่าสุดที่ตีพิมพ์ในวารสาร Journal of การวิเคราะห์ความร้อน ปีที่แล้ว

ความร้อนที่ไหล vs. การชดเชยกำลังงาน: ประเภทของ DSC และความแตกต่างในการทำงาน

โดยทั่วไปมีเครื่องมือแสกนคาลอรีเมตรีแบบต่างกันอยู่สองประเภท ได้แก่ แบบโฟลว์ความร้อนและแบบชดเชยพลังงาน โดยในแบบโฟลว์ความร้อน ตัวอย่างและมาตรฐานจะใช้ห้องเตาเดียวกัน ซึ่งการเปลี่ยนแปลงอุณหภูมิจะถูกตรวจจับผ่านชุดเทอร์โมคัปเปิลที่จัดวางอย่างเหมาะสมรอบๆ อุปกรณ์ ห้องปฏิบัติการมักเลือกใช้วิธีนี้เพราะมีต้นทุนไม่สูงและเพียงพอสำหรับการทดสอบพอลิเมอร์ทั่วไป ในขณะที่อีกแนวทางหนึ่ง คือ เครื่อง DSC แบบชดเชยพลังงาน จะมีความซับซ้อนมากกว่า โดยให้ตัวอย่างแต่ละตัวมีเตาเป็นของตนเอง ระบบเหล่านี้จะปรับพลังงานขาเข้าอย่างต่อเนื่องเพื่อรักษาระดับอุณหภูมิให้เท่ากันระหว่างห้องต่างๆ สิ่งที่ทำให้อุปกรณ์เหล่านี้โดดเด่นคือ สามารถตรวจจับการเปลี่ยนแปลงที่เล็กมากได้ถึงเพียง 0.1 ไมโครวัตต์ ซึ่งหมายความว่าสามารถตรวจพบกระบวนการที่รวดเร็วหรือการเปลี่ยนแปลงของวัสดุที่ละเอียดอ่อน ซึ่งอาจหลุดรอดจากอุปกรณ์ที่ไวต่อการเปลี่ยนแปลงน้อยกว่า โดยเฉพาะอย่างยิ่งในการติดตามการบ่มตัวของอีพอกซี่อย่างแท้จริงตลอดเวลา

การเข้าใจการเปลี่ยนแปลงทางความร้อน: การเปลี่ยนแปลงของแก้ว การหลอมเหลว และการเกิดผลึก

DSC ตรวจจับเหตุการณ์ความร้อนหลักสามประเภท:

• Glass transition temperature (Tg) : การเปลี่ยนแปลงแบบขั้นบันไดของความจุความร้อน ซึ่งบ่งชี้ถึงการอ่อนตัวของวัสดุที่ไม่มีโครงสร้างผลึก เช่น พลาสติก
• จุดหลอมเหลว (Tm) : ยอดดูดความร้อน (เอกโซเทอร์มิก) ที่แสดงถึงการแตกตัวของโครงสร้างผลึกในพอลิเมอร์หรือโลหะ
• ยอดการเกิดผลึก : สัญญาณคายความร้อน ซึ่งเผยให้เห็นอัตราที่วัสดุกึ่งผลึกจัดเรียงตัวเป็นโครงสร้างที่มีระเบียบระหว่างการเย็นตัว

การเปลี่ยนแปลงเหล่านี้ช่วยในการตัดสินใจเกี่ยวกับความยืดหยุ่นของวัสดุ เงื่อนไขการแปรรูป และความเสถียรของสูตรผสม ตัวอย่างเช่น การลดลง 5°C ของ Tg อาจบ่งชี้ถึงการสูญเสียพลาสติไซเซอร์ใน PVC ซึ่งส่งผลต่อความทนทานของผลิตภัณฑ์

การวัดการเปลี่ยนแปลงเอนทัลปีและการตรวจจับการเปลี่ยนแปลงพลังงานต่ำ

ในการคำนวณการเปลี่ยนแปลงเอนทัลปี (ΔH) นักวิทยาศาสตร์จะทำการอินทิเกรตพื้นที่ใต้สัญญาณความร้อนที่ปรากฏบนเส้นโค้ง DSC เมื่อเราพบค่า ΔH สูงในช่วงหลอมเหลว เช่น ประมาณ 200 จูลต่อกรัม มักหมายความว่าวัสดุพอลิเมอร์นั้นมีโครงสร้างผลึกอยู่ในปริมาณมาก ในทางกลับกัน สัญญาณเอกซ์โซเทอร์มิกขนาดเล็กมาก อย่างเช่น 1.2 J/g มักบ่งชี้ถึงกระบวนการบ่มที่ยังไม่สมบูรณ์ในระบบเรซินต่างๆ อุปกรณ์วิเคราะห์รุ่นล่าสุดสามารถตรวจจับการเปลี่ยนแปลงพลังงานที่เล็กที่สุดได้ดีมาก จนถึงระดับประมาณครึ่งมิลลิจูล ความสามารถนี้ทำให้สามารถศึกษาวัสดุชนิดต่างๆ ที่เคยวิเคราะห์ได้ยากมาก่อน รวมถึงชั้นฟิล์มบางพิเศษ เคลือบผิวขนาดจิ๋ว และตัวอย่างขนาดเล็กประเภทอื่นๆ ที่วิธีการแบบดั้งเดิมไม่สามารถทำงานได้ดีเพียงพอ

ข้อจำกัดด้านความแม่นยำสำหรับเหตุการณ์ทางความร้อนที่อ่อนหรือทับซ้อนกัน

DSC มีความแม่นยำค่อนข้างดีที่ประมาณ ±0.1 องศาเซลเซียส แต่ยังคงมีปัญหาในการตรวจจับการเปลี่ยนแปลงเล็กๆ ที่ต่ำกว่าประมาณ 0.2 จูลต่อกรัม ลองนึกถึงปรากฏการณ์เช่น การผ่อนคลายระดับทุติยภูมิที่เกิดขึ้นในวัสดุอีลาสโตเมอร์ เมื่อกระบวนการต่างๆ เกิดขึ้นพร้อมกัน เช่น พลาสติกเริ่มหลอมเหลวในขณะที่วัสดุกำลังเสื่อมสภาพในผลิตภัณฑ์รีไซเคิล ผลลัพธ์ที่ได้จะสับสนและตีความได้ยาก นี่คือจุดที่เทคนิค Modulated DSC เข้ามาช่วย เทคนิคนี้เพิ่มรูปแบบคลื่นเข้าไปในช่วงการเปลี่ยนแปลงอุณหภูมิระหว่างการทดสอบ ส่งผลให้สามารถแยกแยะสิ่งที่เกิดขึ้นแบบกลับได้ เช่น อุณหภูมิการเปลี่ยนแปลงแก้ว (Tg) จากสิ่งที่ไม่สามารถกลับได้ เช่น การทำให้วัสดุแข็งตัวทางเคมี หรือการเสื่อมสภาพของวัสดุ ผลลัพธ์สุดท้ายคือ ข้อมูลที่ชัดเจนยิ่งขึ้น และความละเอียดโดยรวมของการวัดที่ดีขึ้น การตีความเทอร์โมแกรม DSC: วิเคราะห์เหตุการณ์ทางความร้อนและประเมินคุณสมบัติของวัสดุ

การอ่านเส้นโค้ง DSC: ระบุ Tg, Tm และพีคการตกผลึก

เทอร์โมแกรม DSC โดยพื้นฐานแล้วติดตามปริมาณความร้อนที่ไหลผ่านตัวอย่างขณะที่อุณหภูมิสูงขึ้น ซึ่งแสดงให้เห็นช่วงเวลาที่วัสดุเกิดการเปลี่ยนแปลงสำคัญ เมื่อพิจารณากราฟเหล่านี้ โดยทั่วไปเราจะสังเกตเห็นจุดเปลี่ยนแก้ว (glass transition) เป็นการเปลี่ยนแปลงลักษณะคล้ายขั้นบันไดในเส้นฐาน การหลอมเหลวมักทำให้เกิดพีคชี้ขึ้นด้านบน เนื่องจากดูดซับความร้อน (กระบวนการดูดความร้อนหรือ endothermic) ในขณะที่การตกผลึกจะปรากฏเป็นพีคชี้ลงด้านล่าง เพราะปล่อยความร้อนออกมา (กระบวนการคายความร้อนหรือ exothermic) ตัวอย่างเช่น โพลีเอทิลีน ซึ่งเป็นพอลิเมอร์กึ่งผลึกทั่วไป มักจะเริ่มหลอมเหลวที่ประมาณ 110 ถึง 135 องศาเซลเซียส ทั้งนี้ขึ้นอยู่กับการจัดเรียงของโมเลกุล ในปัจจุบัน อุปกรณ์ DSC รุ่นใหม่ๆ ส่วนใหญ่สามารถวัดอุณหภูมิการเปลี่ยนแก้วได้แม่นยำภายใน ±0.1 องศา ความแม่นยำระดับนี้มีความสำคัญอย่างมากในสาขาเภสัชกรรม ซึ่งความแตกต่างของอุณหภูมิเพียงเล็กน้อยอาจส่งผลต่อความเสถียรของยา และยังมีความสำคัญในการพัฒนาพลาสติกชนิดใหม่สำหรับการใช้งานทางอุตสาหกรรมต่างๆ

การวิเคราะห์เชิงปริมาณ: การคำนวณเอนทัลปี ความบริสุทธิ์ และองศาของการบ่ม

เทคนิคแคลอรีมิเตอร์แบบสแกนดิฟเฟอเรนเชียลทำงานโดยการพิจารณาพื้นที่ใต้พีค เพื่อหาค่าการเปลี่ยนแปลงเอนทัลปี (ΔH) ที่เกิดขึ้นระหว่างกระบวนการทางกายภาพหรือทางเคมี เมื่อพูดถึงวัสดุเทอร์โมเซ็ต การเปรียบเทียบค่า ΔH ระหว่างตัวอย่างจะช่วยให้เราทราบถึงระดับการบ่มที่เกิดขึ้นจริง โดยทั่วไปมีความแม่นยำประมาณ 2% ตามมาตรฐาน ASTM ส่วนการตรวจสอบความบริสุทธิ์ ยังมีสมการแวนฮอฟฟ์ซึ่งเป็นเครื่องมือที่มีประโยชน์ในการเชื่อมโยงการลดลงของจุดหลอมเหลวเข้ากับความเข้มข้นของสิ่งเจือปน จนสามารถตรวจจับได้ต่ำถึงครึ่งหนึ่งของเปอร์เซ็นต์โมล รายละเอียดในระดับนี้มีความสำคัญอย่างยิ่งต่อการรับรองว่ายาแต่ละชนิดเป็นไปตามข้อกำหนดด้านคุณภาพในอุตสาหกรรมยา

การตรวจจับพฤติกรรมการบ่มในเทอร์โมเซ็ตและการเกิดปฏิกิริยาเชื่อมขวาง

การบ่มอีพอกซีและโพลียูรีเทนสร้างพีคแบบเอกซ์โซเทอร์มิก ซึ่งรูปร่างและจุดเริ่มต้นของพีคสามารถเปิดเผยข้อมูลเกี่ยวกับพลวัตของปฏิกิริยาและความร้อนกระตุ้นได้ พีคที่มีลักษณะเป็นไหล่หรือเส้นโค้งไม่สมมาตรมักบ่งชี้ถึงการเกิดข้ามเชื่อมหลายขั้นตอน ซึ่งช่วยให้วิศวกรสามารถปรับแต่งรอบการบ่มให้เหมาะสมและหลีกเลี่ยงการบ่มไม่เพียงพอหรือบ่มเกิน

ความท้าทายในการแยกส่วนเหตุการณ์ทางความร้อนที่ทับซ้อนกัน

วัสดุที่ซับซ้อนอาจแสดงการเปลี่ยนแปลงที่ทับซ้อนกัน เช่น การหลอมเหลวที่เกิดพร้อมกับการเสื่อมสภาพจากออกซิเดชัน ทำให้การตีความข้อมูลซับซ้อนมากขึ้น การลอยตัวของเส้นฐานและสัญญาณรบกวนยังทำให้การหาผลรวมอย่างแม่นยำยากขึ้น เครื่องมือสำหรับการปรับเส้นโค้งขั้นสูงและการวิเคราะห์ DSC แบบมอดูเลต (MDSC) ช่วยแก้ปัญหานี้ได้โดยการแยกส่วนประกอบของแต่ละเหตุการณ์ออกจากกัน

DSC แบบมอดูเลต (MDSC): เพิ่มความสามารถในการแยกแยะสำหรับวัสดุที่ซับซ้อน

MDSC ใช้โปรไฟล์การให้ความร้อนแบบปรับเปลี่ยน (เช่น การเพิ่มอุณหภูมิแบบเชิงเส้นพร้อมการสั่นสะเทือนเป็นคลื่นไซน์) เพื่อแยกการไหลของความร้อนทั้งหมดออกเป็นองค์ประกอบแบบกลับคืนได้ (เกี่ยวข้องกับความจุความร้อน) และองค์ประกอบแบบไม่กลับคืนได้ (เกี่ยวข้องกับพลวัต) ซึ่งช่วยเพิ่มความสามารถในการตรวจจับการเปลี่ยนแปลงที่อ่อนแอ เช่น อุณหภูมิการเปลี่ยนแปลงแก้ว (Tg) ในสารประกอบยางที่มีสารเติมแต่งได้ถึง 40% ตามการศึกษาโพลิเมอร์ในปี 2022

การใช้งานหลักของ เครื่องวัดแคลอรีมิเตอร์แบบสแกนดิฟเฟอเรนเชียล ในอุตสาหกรรมและงานวิจัย

DSC เป็นเทคนิคพื้นฐานสำหรับการวิเคราะห์คุณสมบัติทางความร้อนในทุกภาคส่วน ซึ่งให้ข้อมูลเชิงลึกเกี่ยวกับพฤติกรรมของวัสดุภายใต้การให้ความร้อนหรือทำความเย็นอย่างควบคุม

โพลิเมอร์และพลาสติก: การวิเคราะห์คุณสมบัติทางความร้อนและการสลายตัว

DSC ให้ข้อมูลสำคัญเกี่ยวกับ Tg, Tm, ความเป็นผลึก และความเสถียรต่อการเกิดออกซิเดชัน อุณหภูมิเริ่มต้นของการสลายตัวสามารถวัดได้ภายใน ±0.5°C ซึ่งช่วยในการคาดการณ์ประสิทธิภาพในระยะยาวภายใต้แรงกดดันจากความร้อน ข้อมูลนี้ช่วยกำหนดพารามิเตอร์การแปรรูปและประมาณอายุการใช้งาน

การปฏิบัติตามมาตรฐาน ASTM สำหรับการทดสอบพลาสติกที่สามารถทำซ้ำได้

เพื่อให้มั่นใจในความสอดคล้องกัน ห้องปฏิบัติการจะปฏิบัติตามมาตรฐาน ASTM E794 (อุณหภูมิหลอมเหลว/เยือกแข็ง) และ ASTM E2716 (ระยะเวลาการเหนี่ยวนำออกซิเดชัน) ขั้นตอนที่ได้รับการมาตรฐาน—รวมถึงอัตราการให้ความร้อน 10°C/นาที และอัตราการไหลของก๊าซพาร์จที่กำหนดไว้—สามารถลดความแปรปรวนระหว่างห้องปฏิบัติการได้สูงสุดถึง 30%

เภสัชกรรม: โพลีมอร์ฟิซึม ความเสถียรของสูตรผสม และการพัฒนายา

รูปแบบโพลีมอร์ฟของสารออกฤทธิ์ทางเภสัชกรรม (APIs) มีลักษณะโปรไฟล์ความร้อนที่แตกต่างกัน ซึ่งส่งผลต่อความสามารถในการละลายและชีวภาพ DSC สามารถระบุรูปแบบเหล่านี้ได้ตั้งแต่ระยะเริ่มต้นของการพัฒนา รายงานปี 2024 แสดงให้เห็นว่า การวัด ΔH มีความสัมพันธ์กับความเข้ากันได้ของสารเติมแต่งด้วยความแม่นยำ 92% เมื่อเทียบกับการทดสอบความเสถียรเร่ง

วิทยาศาสตร์อาหาร: การตกผลึกของไขมัน การทำนายอายุการเก็บรักษา และการควบคุมคุณภาพ

ในการผลิตช็อกโกแลต DSC ใช้วิเคราะห์การตกผลึกของโคโค่บัตเตอร์ เพื่อปรับกระบวนการ tempering ให้เหมาะสมและป้องกันปัญหา fat bloom นอกจากนี้ยังสามารถตรวจจับการกลับตัวของแป้ง (starch retrogradation) ได้ด้วยความไวสูงถึง 0.1 J/g ซึ่งช่วยแนะนำการปรับปรุงเนื้อสัมผัสและอายุการเก็บรักษาในขนมอบ

การประเมินความบริสุทธิ์ของวัสดุและการประเมินสมรรถนะข้ามอุตสาหกรรม

นักโลหะวิทยาใช้เทคนิค DSC เพื่อติดตามการเปลี่ยนแปลงเฟสของโลหะผสม ในขณะที่ผู้พัฒนาสูตรกาวใช้เพื่อประเมินจังหวะการบ่ม เพื่อปรับปรุงกำหนดการยึดติด ในอุตสาหกรรมยา การวิเคราะห์การลดลงของจุดหลอมเหลวสามารถตรวจจับสิ่งปนเปื้อนในระดับเล็กน้อยได้ด้วยความไวถึง 99.8%

คำถามที่พบบ่อย

Differential Scanning Calorimetry (DSC) คืออะไร?

แคลอรีมิเตอร์แบบสแกนเชิงอนุพันธ์ (Differential Scanning Calorimetry: DSC) เป็นวิธีการที่วัดปริมาณความร้อนที่ไหลเข้าหรือออกจากวัสดุเมื่อวัสดุนั้นเกิดการเปลี่ยนแปลงอุณหภูมิ ซึ่งช่วยในการวิเคราะห์การเปลี่ยนแปลงเฟส ความเสถียร และพลังงานที่เกี่ยวข้องในปฏิกิริยา

DSC มีประเภทหลักใดบ้างที่ใช้งานอยู่

ระบบที่ใช้ DSC สองประเภทหลัก ได้แก่ แบบโฟลว์ความร้อน (heat flux) และแบบชดเชยกำลังไฟฟ้า (power compensation) โดยแต่ละประเภทตรวจจับความผันผวนของอุณหภูมิและป้อนพลังงานผ่านกลไกที่แตกต่างกัน

การประยุกต์ใช้ DSC ในอุตสาหกรรมต่างๆ มีอะไรบ้าง

DSC ถูกนำมาใช้กันอย่างแพร่หลายในด้านโพลิเมอร์ ยาศาสตร์ วิทยาศาสตร์อาหาร และการประเมินความบริสุทธิ์ของวัสดุ สำหรับการวิเคราะห์คุณสมบัติทางความร้อน การวิเคราะห์การเสื่อมสภาพ ความเสถียรของสูตรผสม และการควบคุมคุณภาพ