Високоточний диференційний скануючий калориметр для термічного аналізу та випробування матеріалів

Основний принцип Диференціальна скануюча калориметрія (DSC)

Диференційна скануюча калориметрія, відома як DSC, по суті відстежує кількість тепла, що надходить у матеріал або виходить з нього, порівняно з порожньою посудиною при підвищенні температури. Матеріали мають різну поведінку під час фазових перетворень, таких як плавлення твердих речовин у рідину, кристалізація із розплаву чи переходу з жорсткого стану в гнучкий. Під час цих перетворень вони або поглинають тепло, або виділяють його, що призводить до помітних змін у загальному тепловому профілі. Спеціальні пристрої реєструють ці незначні зміни та перетворюють їх на цінні дані щодо кількості енергії, що бере участь у реакціях, стабільності речовин при певних температурах та точок, у яких відбуваються різні фазові переходи, згідно з останніми дослідженнями, опублікованими в журналі Тепловий аналіз минулого року.

Тепловий потік проти компенсації потужності: типи DSC та їх експлуатаційні відмінності

По суті існує два типи калориметрів диференційного сканування: моделі на основі теплового потоку та моделі з компенсацією потужності. У DSC на основі теплового потоку зразки та еталони розташовані в одній камері піччі, де температурні відхилення виявляються за допомогою масивів термопар, стратегічно розташованих навколо установки. Лабораторії часто обирають цей варіант, оскільки він є бюджетним і цілком підходить для більшості стандартних потреб у випробуванні полімерів. Інший підхід — DSC з компенсацією потужності — передбачає наявність окремої піччі для кожного зразка. Такі системи постійно регулюють подачу енергії, щоб підтримувати однакову температуру в обох камерах. Що робить ці пристрої особливими? Вони можуть виявляти надзвичайно малі зміни — вже від 0,1 мкВт, що дозволяє фіксувати швидкі процеси або тонкі перетворення матеріалів, які можуть залишитися непоміченими менш чутливим обладнанням, особливо під час спостереження за тим, як саме епоксиди полімеризуються з часом.

Зрозуміння термічних переходів: склування, плавлення та кристалізація

DSC виявляє три основні термічні події:

• Температури склування (Tg) : Ступінчаста зміна теплоємності, що вказує на м'якшення аморфних матеріалів, таких як пластмаси.
• Температура плавлення (Tm) : Ендотермічний пік, що відзначає руйнування кристалічної структури полімерів або металів.
• Піки кристалізації : Екзотермічні сигнали, які показують, наскільки швидко напівкристалічні матеріали утворюють впорядковані структури під час охолодження.

Ці переходи допомагають приймати рішення щодо гнучкості матеріалів, умов обробки та стабільності складу. Наприклад, зниження Tg на 5°C може свідчити про втрату пластифікатора у ПВХ, що впливає на довговічність продукту.

Вимірювання змін ентальпії та виявлення низькоенергетичних переходів

Для розрахунку змін ентальпії (ΔH) вчені інтегрують площу під тепловими піками, які спостерігаються на кривій DSC. Коли ми бачимо велике значення ΔH під час плавлення, наприклад, близько 200 джоулів на грам, це зазвичай означає, що у полімерному матеріалі присутня значна кристалічність. Навпаки, такі малі екзотермічні сигнали, можливо, близько 1,2 Дж/г, часто вказують на неповні процеси затвердіння в різних смолистих системах. Устаткування останнього покоління стало надзвичайно ефективним у виявленні навіть найменших енергетичних переходів — до приблизно півміліджоуля. Ця можливість дозволяє досліджувати різноманітні матеріали, які раніше було занадто важко аналізувати, включаючи надтонкі плівкові шари, мікроскопічні покриття, нанесені на поверхні, та інші мініатюрні типи зразків, для яких традиційні методи просто недостатньо ефективні.

Обмеження точності для слабких або перекриваючихся термічних подій

DSC забезпечує досить високу точність у межах ±0,1 градуса Цельсія, але все ще має проблеми з фіксацією дуже незначних перехідних процесів нижче приблизно 0,2 джоуля на грам. Подумайте про такі явища, як вторинні релаксації в еластомерних матеріалах. Коли різні процеси відбуваються одночасно, наприклад, коли пластик починає плавитися та одночасно розпадатися в перероблених матеріалах, результати стають заплутаними й важкими для інтерпретації. Тут на допомогу приходить модульована DSC. Цей метод додає хвилеподібний режим до зміни температури під час випробування. В результаті ми можемо розділити процеси, що відбуваються оборотно, наприклад, переходи склування, від необоротних явищ, таких як хімічне затвердіння або руйнування матеріалу. Кінцевий результат? Набагато чіткіші дані та значно краща роздільна здатність вимірювань. Інтерпретація термограм DSC: аналіз теплових подій та визначення властивостей матеріалів

Читання кривих DSC: визначення Tg, Tm та піків кристалізації

Диференційні скануючі калориметри (DSC) в основному відстежують кількість тепла, яка проходить через зразок під час його нагрівання, показуючи моменти, коли матеріали зазнають важливих змін. Аналізуючи ці графіки, ми зазвичай бачимо точку склування у вигляді ступінчастої зміни на лінії базових показників. Плавлення, як правило, створює спайки вгору, оскільки поглинає тепло (це ендотермічний процес), тоді як кристалізація відображається у вигляді спадів донизу, бо виділяє тепло (екзотермічний процес). Візьмемо, наприклад, поліетилен — цей поширений напівкристалічний полімер зазвичай плавиться при температурі від 110 до 135 градусів Цельсія, хоча точне значення залежить від способу упорядкування його молекул. У наш час більшість сучасного обладнання DSC може вимірювати температуру склування з точністю до 0,1 градуса. Така висока точність має велике значення в таких галузях, як фармацевтика, де навіть невеликі температурні відхилення можуть вплинути на стабільність ліків, а також при розробці нових пластиків для різних промислових застосувань.

Кількісний аналіз: обчислення ентальпії, чистоти та ступеня вулканізації

Диференційна скануюча калориметрія працює шляхом аналізу площ піків, щоб визначити зміни ентальпії (ΔH), які відбуваються під час фізичних або хімічних процесів. Що стосується термореактивних матеріалів, порівняння значень ΔH між зразками дає уявлення про те, наскільки вони фактично полімеризувалися, зазвичай з точністю близько 2% відповідно до стандартів ASTM. Говорячи про перевірку чистоти, існує корисне рівняння Вант-Гоффа, яке допомагає пов’язати зниження температури плавлення з концентрацією домішок аж до половини мольного відсотка. Такий рівень деталізації має надзвичайно важливе значення для забезпечення відповідності лікарських засобів вимогам якості в фармацевтичній галузі.

Виявлення поведінки при вулканізації в термореактивних смолах та реакціях поперечного зшивання

Епоксидне та поліуретанове відвердіння викликає екзотермічні піки, форма яких і початок дозволяють визначити кінетику реакції та енергію активації. Плечі піків або асиметричні криві часто вказують на багатостадійне зшивання, що допомагає інженерам оптимізувати цикли відвердіння та уникнути недостатнього або надмірного відвердіння.

Проблеми розщеплення накладання термічних подій

Складні матеріали можуть демонструвати накладання переходів — наприклад, плавлення одночасно з окисним руйнуванням — що ускладнює інтерпретацію. Зсув базової лінії та шуми додатково утруднюють точне інтегрування. Складні інструменти для апроксимації кривих та МДКА допомагають вирішити ці проблеми шляхом ізоляції окремих складових.

Модульна ДКА (МДКА): Підвищення роздільної здатності у складних матеріалах

MDSC застосовує модульований профіль нагрівання (наприклад, лінійний підйом із синусоїдальними коливаннями), щоб розділити загальний тепловий потік на оборотні (пов'язані з теплоємністю) та необоротні (кінетичні) компоненти. Це покращує виявлення слабких переходів, таких як Tg у наповнених гумових сумішах, до 40% згідно з дослідженнями полімерів 2022 року.

Головні застосування Диференціальний скануючий калориметр у промисловості та наукових дослідженнях

DSC є основним методом термічної характеристики в різних галузях, забезпечуючи інформацію про поведінку матеріалів за контрольованих умов нагрівання або охолодження.

Полімери та пластмаси: термічна характеристика та аналіз деградації

DSC надає важливі дані про Tg, Tm, кристалічність та окисну стійкість. Температури початку деградації можна виміряти з точністю ±0,5 °C, що допомагає прогнозувати довготривалу експлуатацію під термічним навантаженням. Ця інформація допомагає визначити параметри обробки та оцінити термін служби.

Відповідність стандартам ASTM для відтворюваних випробувань пластмас

Для забезпечення консистенції лабораторії дотримуються стандартів ASTM E794 (температура танення/замороження) та ASTM E2716 (час окислення). Стандартизовані процедуривключаючи швидкість нагріву 10°C/минуту та визначені потоки газових очищувачів зменшують варіативність між лабораторіями до 30%.

Фармацевтичні продукти: поліморфізм, стабільність формулювання та розробка препаратів

Поліморфні форми активних фармацевтичних інгредієнтів (АІФ) мають різні теплові профілі, що впливає на розчинність та біодоступність. DSC визначає ці форми на ранньому етапі розвитку. У звіті 2024 року показано, що вимірювання ΔH корелюють з сумісностю допоміжних речовин з точністю 92% у порівнянні з прискореними випробуваннями стабільності.

Наука про харчування: кристалізація жиру, прогнозування терміну зберігання та контроль якості

При виробництві шоколаду DSC аналізує кристалізацію какао-масла для досконалої настройки температури і запобігання розквіту жиру. Він також виявляє ретроградацію крахмала з чутливістю до 0,1 J/g, що спрямовує текстуру і оптимізацію терміну зберігання в пивоварні.

Оцінка чистоти матеріалів та аналіз їх властивостей у різних галузях промисловості

Металурги використовують ДСК для контролю фазових перетворень в сплавах, тоді як розробники клеїв аналізують кінетику затвердіння для оптимізації режимів склеювання. У фармацевтиці аналіз депресії температури плавлення забезпечує чутливість 99,8% при виявленні мікропримішей.

ЧаП

Що таке диференціальна скануюча калориметрія (ДСК)?

Диференційна скануюча калориметрія (ДСК) — це метод, який вимірює кількість тепла, що надходить або виділяється з матеріалом під час зміни температури, і допомагає аналізувати фазові переходи, стабільність та енергетичні характеристики реакцій.

Які основні типи ДСК використовуються?

Два основні типи ДСК-установок — це моделі на основі теплового потоку та компенсації потужності, кожна з яких виявляє температурні зміни та енергетичні витрати за допомогою різних механізмів.

Які застосування ДСК у промисловості?

DSC широко застосовується в полімерах, фармацевтиці, харчовій промисловості та оцінці чистоти матеріалів для термічної характеристики, аналізу деградації, стабільності складу та контролю якості.