Issiqlik tahlili va materiallarni sinovdan o'tkazish uchun yuqori aniqlikdagi differensial skanerli kalorimetr

Asosiy tamoyil Differentsial Skaning Kalorimetriya (DSC)

Differensial skanerli kalorimetriya, odatda DSC sifatida tanilgan, harorat oshayotganda bo'sh idishga nisbatan materialga kiruvchi yoki undan chiquvchi issiqlik miqdorini kuzatib boradi. Materiallar suyuq holatga qotigan moddalarni eritish, suyuqlikdan kristallar hosil bo'lish yoki qattiq holatdan moslashuvchan holatga o'tish kabi o'zgarishlarga uchrashda turlicha xatti-harakat qiladi. Bu jarayonlarda ular issiqlikni yutib oladi yoki ajratadi, bu esa umumiy issiqlik namunasida sezilarli o'zgarishlarga olib keladi. Maxsus asboblar ushbu maydali o'zgarishlarni aniqlab, reaktsiyalarda qatnashadigan energiya miqdori, moddalarning ma'lum haroratlarda barqaror bo'lishi yoki turli fazalar aniq qachon ro'y berishi kabi narsalar haqida qiymatli ma'lumotlarga aylantiradi, deb so'nggi yillarda Journal of jurnalida e'lon qilingan tadqiqotlar ko'rsatmoqda Issiqlik tahlili o'tgan yili.

Issiqlik oqimi vs. Quvvat kompensatsiyasi: DSC turlari va ularning ishlash farqlari

Asosan ikki xil differensial skanerli kalorimetriya uskunasi mavjud: issiqlik oqimi va quvvatni kompensatsiya qilish modellari. Issiqlik oqimiga ega DSCda namuna hamda etalon bir xil pech katarida bo'lib, harorat farqlari uskunaning atrofiga strategik ravishda joylashtirilgan termoparlar massivlari orqali aniqlanadi. Laboratoriyalar aksariyat standart polimerlarni sinovdan o'tkazish ehtiyojlarini qondirish uchun yetarlicha yaxshi ishlaydigan, shu bilan birga arzonligi tufayli aynan shu usulni tanlashadi. Boshqa usul — quvvatni kompensatsiya qilish DSC — har bir namuna uchun alohida pech ajratib beradi. Bu tizimlar doimiy ravishda energiya kiritilishini sozlab, haroratlarni turli idishlar bo'ylab moslashtirib turadi. Bu qurilmalarni nima ajratib turadi? Ular juda nozik o'zgarishlarni ham, hatto 0,1 mikrovattgacha aniqlikda aniqlay oladi, ya'ni boshqa kam sezgirroq uskunalar tomonidan o'tkazib yuborilishi mumkin bo'lgan tezkor jarayonlarni yoki nozik material o'zgarishlarini, ayniqsa epoksidlarning vaqt o'tishi bilan qanday qotishini nazorat qilish paytida aniqlash imkonini beradi.

Issiqlik o'tishini tushunish: Shishasimon o'tish, erish va kristallanish

DSC uchta asosiy issiqlik hodisasini aniqlaydi:

• Shishaga o'tish harorati (Tg) : plastmassa kabi amorf materiallarning yumshashini ko'rsatadigan issiqlik sig'imasidagi bosqichli o'zgarish.
• Eruvchanlik temperaturasi (Tm) : Polimer yoki metallarning kristalli tuzilmasining vayron bo'lishini belgilovchi endotermik pik.
• Kristallanish piklari : Yarim kristalli materiallarning sovutilganda tartibli tuzilmalarni qanchalik tez hosil qilishini ko'rsatuvchi ekzotermik signallar.

Bu o'tishlar materialning moslashuvchanligi, ishlash sharoitlari va aralashma barqarorligi to'g'risida qaror qabul qilishda yordam beradi. Masalan, PVC dagi plastifikatorning yo'qolishini ko'rsatadigan Tg dagi 5°C pasayish mahsulotning chidamliligiga ta'sir qilishi mumkin.

Entalpiya o'zgarishlarini o'lchash va past energiyali o'tishlarni aniqlash

Entalpiya o'zgarishlarini (ΔH) hisoblash uchun olimlar DSC egri chizig'ida kuzatiladigan issiqlik piklarining ostidagi maydonni integratsiya qiladi. Erish davrida, masalan, grammiga 200 dzhoul atrofida katta ΔH qiymati ko'rsak, bu odatda polimer materialida ancha miqdordagi kristalllik mavjudligini anglatadi. Aksincha, gramiga 1,2 J kabi kichik ekzotermik signallar turli rezin tizimlarida to'liq bo'lmagan qattiqlov jarayonlari sodir bo'layotganidan dalolat beradi. So'nggi avlod analitik uskunalar juda kichik energiya o'tishlarini ham, taxminan yarim millidjoulegacha aniqlashga juda yaxshi ega bo'ldi. Bu imkoniyat an'anaviy usullar yetarlicha ishlamaydigan materiallarni, jumladan, giper ingichka plyonka qatlamlarini, sirtga qo'llanilgan mikroskopik parda qoplamalarni va boshqa miniatyura namuna turlarini o'rganish imkonini beradi.

Yomon yoki bir-biriga ustma-ust tushadigan issiqlik hodisalari uchun aniqlik cheklovlari

DSC taxminan plus yoki minus 0.1 gradus Selsiy atrofida juda yaxshi aniqlikni ta'minlaydi, lekin hali ham taxminan 0.2 J/g dan kam bo'lgan kichik o'tishlarni aniqlashda qiyinchiliklarga duch keladi. Masalan, elastomer materiallarda sodir bo'layotgan ikkilamchi shaffoflanish jarayonlarini tasavvur qiling. Agar turli jarayonlar bir vaqtning o'zida sodir bo'lsa, masalan, plastmassa erib ketayotganda, qayta ishlangan mahsulotlarda bir vaqtda parchalanayotgan bo'lsa, natijalar chalkashib ketadi va tahlil qilish qiyin bo'ladi. Aynan shu yerda Modulyatsiyalangan DSC qo'llash foydali bo'ladi. Bu usul sinov davomida harorat o'zgarishiga to'lqinsimon namuna qo'shadi. Natijada biz shaffoflanish harorati kabi teskari jarayonlarni kimyoviy polimerlanish yoki moddaning buzilishi kabi teskari bo'lmagan jarayonlardan ajratib olishimiz mumkin. Yakuniy natija? Ancha aniqroq ma'lumot nuqtalari va o'lchashlarda umumiy aniqlikning yaxshilanishi. DSC termogrammalarini talqin qilish: issiqlik hodisalarini tahlil qilish va material xususiyatlarini miqdoriy baholash

DSC egri chiziqlarini o'qish: Tg, Tm va kristallanish piklarini aniqlash

DSC termodiagrammalari namunadan o'tayotgan issiqlik miqdorini qizdirish jarayonida kuzatib boradi va materiallarning muhim o'zgarishlarga uchrashi vaqtini ko'rsatadi. Bu grafiklarni ko'rib chiqayotganda, biz odatda bazaviy o'qda bosqichga o'xshash siljish sifatida shishsimon o'tish nuqtasini kuzatamiz. Erish hodisalari yuqoriga qarab cho'zzilishlarni hosil qiladi, chunki ular issiqlikni so'rashadi (bu endotermik), boshqa tomondan, kristallanish pastga qarab cho'zilishlar sifatida namoyon bo'ladi, chunki u issiqlik ajratadi (ekzotermik). Masalan, polietilen — bu keng tarqalgan yarim-kristalli polimer, odatda molekulalar qanday joylashishiga qaramay 110 dan 135 gradusgacha bo'lgan haroratlarda eriydi. Hozirgi kunda, ko'pchilik ilg'or DSC uskunalari shishsimon o'tish haroratini faqat 0.1 gradus aniqlikda o'lchaydi. Bunday aniqlik farmatsevtika kabi sohalarda juda muhim, chunki kichik harorat farqlari dori barqarorligini ta'sir qilishi mumkin, shuningdek, turli sanoat sohalarida yangi plastmassalar ishlab chiqishda ham ahamiyatli.

Soniysiz tahlil: Entalpiya, tozalik va qattiqlov darajasini hisoblash

Differensial skanerli kalorimetriya fizik yoki kimyoviy jarayonlar davomida sodir bo'ladigan entalpiya o'zgarishlarini (ΔH) aniqlash uchun pik maydonlarini o'rganadi. Termoplast materiallar uchun namunalarning ΔH qiymatlari orasidagi farq ularning haqiqatan ham qanchalik qattiqlovga uchraganligi haqida taxminan 2% aniqlikda tasavvur beradi (ASTM standartlariga muvofiq). Tozalikni tekshirish borasida esa erish nuqtasi pasayishini 0,5 mol foizgacha bo'lgan aralashmalar miqdori bilan bog'laydigan van't Goff tenglamasi kabi qulay vosita mavjud. Bu darajadagi batafsil ma'lumotlar farmatsevtika sanoatida dori vositalarining sifat talablarga javob berishini ta'minlash uchun juda muhim.

Termoplastlarda qattiqlov xatti-harakati va tarmoqlanuvchi reaktsiyalarni aniqlash

Epoxy va poliuretanlarning qotish jarayoni eksotermik piklarni hosil qiladi, ularning shakli va boshlanishi reaksiya kinetikasi va faollanish energiyasini aniqlash imkonini beradi. Yon piylar yoki nosimmetrik egri chiziqlar ko'pincha ko'p bosqichli tarmoqlanishni anglatadi, bu muhandislarga qotish tsiklini optimallashtirish va yetarli darajada yoki ortiqcha qotishdan qochishda yordam beradi.

Qo'shilib ketgan issiqi hodisalarni ajratishdagi qiyinchiliklar

Murakkab materiallarda — erish bilan bir vaqtda oksidlanish parchalanishi kuzatilishi — tarjimaga qiyinchilik tug'diradigan qo'shilib ketgan o'tishlar bo'lishi mumkin. Bazaviy siljish hamda shovqin to'g'ri integratsiyani yanada qiyinlashtiradi. Murakkab materiallarda alohida hissalarni ajratib olish orqali ushbu muammolarni hal etish uchun murakkab egri chiziq moslashtirish vositalari va MDSC yordam beradi.

Modulyatsiyalangan DSC (MDSC): Murakkab materiallarda aniqlikni oshirish

MDSC modullangan isish profilini (masalan, sinusoid tebranish bilan chiziqli oshish) qo'llaydi, umumiy issiqlik oqimini aylantiriladigan (issiqlik sig'imi bilan bog'liq) va aylantirilmaydigan (kinetik) komponentlarga ajratadi. Bu to'ldirilgan rezina aralashmalarda 2022-yilgi polimer bo'yicha o'tkazilgan tadqiqotlarga ko'ra, shaffoflanish haroratini (Tg) aniqlashni 40% gacha oshiradi.

Asosiy qoʻllanmalar Farqli skanerli kaloriyometr sanoat va tadqiqot sohasida

DSC turli sohalarda boshqariladigan isish yoki sovutilish sharoitida materiallarning xatti-harakatini o'rganish uchun asosiy usuldir.

Polimerlar va plastmassalar: issiqlik xususiyatlarini aniqlash va tushish tahlili

DSC Tg, Tm, kristalllik va oksidlanish barqarorligi haqida muhim ma'lumotlarni taqdim etadi. Tushish boshlanish haroratlari ±0,5°C aniqlikda o'lchanadi, bu issiqlik ta'siri ostida materialning uzoq muddatli ishlashini bashorat qilish imkonini beradi. Bu ma'lumotlar ishlov berish parametrlarini va foydalanish muddatini baholashni boshqaradi.

Qaytariladigan plastmassa sinovlari uchun ASTM standartlariga rioya etish

Moslikni ta'minlash uchun laboratoriyalar ASTM E794 (erish/soviqqa tushish haroratlari) va ASTM E2716 (oksidlanish induktsiya vaqti) qoidalariga amal qiladi. 10°C/daq isish tezligi hamda belgilangan gaz oqimi kabi standartlashtirilgan protseduralar laboratoriyalararo o'zgaruvchanlikni 30% gacha kamaytiradi.

Farmatsevtika: polimorfizm, formulaning barqarorligi va dorivor moddalarni ishlab chiqish

Faol farmatsevtik komponentlarning (FFK) polimorf shakllari eruvchanlikka va biologik mavjudlikka ta'sir qiluvchi turli termal xususiyatlarga ega bo'ladi. DSC ushbu shakllarni rivojlantirishning dastlabki bosqichida aniqlaydi. 2024-yilgi hisobot ΔH o'lchovlarining tezlashtirilgan barqarorlik testlariga nisbatan 92% aniqlikda yordamchi moddalar bilan mos kelishini ko'rsatmoqda.

Oziq-ovqat fanida: yog' kristallanishi, saqlash muddatini bashorat qilish va sifat nazorati

Shokolad ishlab chiqarishda DSC kakao maydoni kristallanishini tahlil qilish orqali temperatsiyani sozlash va yog' to'kilishini oldini olish imkonini beradi. Shuningdek, u pishirilgan mahsulotlarda matoni va saqlash muddatini optimallashtirish uchun 0,1 J/g gacha sezgirlik bilan kraxmal retrogradatsiyasini aniqlaydi.

Sanoat sohalarida materiallarning tozaligi baholash va ishlash samaradorligini baholash

Metallurglar qotishmalarning fazaviy o'zgarishlarini kuzatish uchun DSCdan foydalanadilar, yopishtiruvchi moddalarni ishlab chiqaruvchilar esa bog'lanish jadvalini takomillashtirish maqsadida polimerlanish kinetikasini baholaydilar. Dorivor sanoatida erish haroratining pasayishini tahlil qilish aralashmalarini aniqlashda 99,8% sezgirlikka erishadi.

Ko'p so'raladigan savollar

Nimaligi Differensial Skaning Kalorimetriya (DSC)?

Differensial skanerli kalorimetriya (DSC) materialga issiqlik oqimi qanday kirib yoki chiqayotganini o'lchash usulidir, bu fazaviy o'tishlarni, barqarorlikni va reaktsiyalardagi energiya ishtirokini tahlil qilishga yordam beradi.

DSCning asosiy turlari qanday?

DSC o'rnatishlarning ikki asosiy turi — issiqlik oqimli (heat flux) va quvvat kompensatsiyali (power compensation) modellar bo'lib, ular har xil mexanizmlar orqali harorat o'zgarishlarini va energiya kirishini aniqlaydi.

DSCning sanoatdagi qo'llanilishi qanday?

DSC polimerlar, farmatsevtika, oziq-ovqat fanlari va materiallarning tozaligini baholashda issiqlik xarakteristikasi, parchalanish tahlili, aralashma barqarorligi hamda sifat nazorati uchun keng qo'llaniladi.