Diferensial skaner kaloriometri (DSC) egri chiziqlarini qanday talqin qilish kerak

Asosiy qoidalarni tushunish Differentsial Skaning Kalorimetriya

DSC - Differentsial Skaning Kalorimetriya bu esa har xil materiallar har xil haroratlarda issiqlikni qanday qabul qilishini yoki chiqarishini kuzatadi. Bu jarayon test namunasining boshqa material bilan issiqlik oqimi farqiga qarab ishlaydi, qolgan hamma narsani o'zgarmas ushlab turadi. Bu materiallarda sodir bo'layotgan muhim o'zgarishlarni aniqlashga yordam beradi, masalan, ular erib ketganda, kristallar hosil bo'lganda yoki bu murakkab shisha o'zgarishlariga duch kelganda. Barcha sanoat tarmoqlari DSC natijalariga tayanishadi, ayniqsa plastik ishlab chiqarish va dori-darmonlarni ishlab chiqish kabi sohalarda, bu yerda materiallarning stress ostida qanday harakat qilishini aniq bilish juda muhimdir. Bularning barchasi qanday ishlaydi, deb chuqurroq o'rganishdan oldin, keling, bu tahlil vositasini nima tashkil etishini va operatorlar bu sinovlarni kundalik qanday amalga oshirishini ko'rib chiqaylik.

Nimaligi Differensial Skaning Kalorimetriya (DSC)?

Farqiyalangan skaner kaloriometrisi biz namuna materialini va bir xil ma'lumot moddalarini bir vaqtning o'zida issiqlantirsak yoki sovutsak ishlaydi. Bu asbob ularning haroratini bir xil saqlash uchun qancha qo'shimcha energiya kerakligini kuzatadi. Sinov paytida nima sodir bo'ladi: agar namuna erish nuqtalari kabi o'zgarishlarga duch kelsa yoki kislorod bilan kimyoviy reaksiyaga kirsa, atrof muhitdan iliqlikni endotermik tarzda oladi yoki eksotermik tarzda chiqarib yuboradi. Biz bu reaksiyalarni DSC grafigida ko'rishimiz mumkin, ular kichik tepaliklar va pasayishlar sifatida ko'rinadi. Ushbu texnikani juda foydali qiladigan narsa shundaki, har bir material o'zidan o'ziga xos issiqlik reaksiyalarini qoldiradi, bu bizga tarkibi va xususiyatlarini aytib beradigan maxsus kodga o'xshaydi.

DSC tahlilida asosiy komponentlar va asboblar

DSCning odatiy tizimi quyidagilarni oʻz ichiga oladi:

• Namuna va ma'lumot uchun tayyorlangan toshlar : Materiallarni saqlaydigan va issiqlikni bir xil taqsimlashni ta'minlaydigan kichik qozonlar.
• Haroratni nazorat qiluvchi pech : Issiqlik va sovutish tezligini aniq tartibga soladi (ko'pincha ± 0,1 °C aniqlik bilan).
• Termokoplar yoki sensorlar : Real vaqtli issiqlik oqimi farqlarini o'lchash.
• Ma'lumotlarni olish dasturi : Issiqlik signallarini talqin qilinadigan egri chiziqlarga aylantiradi.

Zamonaviy asboblar sinov paytida oksidlash buzilishini kamaytirish uchun tozalash gaz tizimlarini ham oʻz ichiga oladi.

Issiqlik oqimi va haroratni boshqarishning DSC egri chiziqlaridagi roli

DSC ma'lumotlarini aniq olish tajribalar paytida haroratni qanchalik yaxshi nazorat qilishimizga bog'liq. Issiqlik tezligini daqiqada 20 darajaga ko'targanimizda, bu bir-biriga to'plangan o'tish jarayonlarini chalkashtiradi. Boshqa tomondan, minutda 2 daraja tezlikda super sekin harakatlanish bizga ancha yaxshi aniqlik beradi, garchi sinovlarni bajarish uchun ko'proq vaqt ketsa ham. Ko'pchilik uchun issiqlik oqimi o'qini kalibrlash juda muhimdir. Indy kabi standart materiallardan foydalanish, entalpiyaning o'zgarishini hisoblash va aslida materialning qancha foizi kristallanganligini aniqlash uchun o'lchashlarimiz to'g'ri ekanligiga ishonch hosil qiladi. Va biz boshlang'ich o'zgartirishlarni unutmaylik. Bu kichik o'zgartirishlar namuna ichida sodir bo'layotgan haqiqiy issiqlik hodisalarini asbobning o'zidan kelib chiqadigan fon shovqini ajratishga yordam beradi, bu esa natijalarni talqin qilishni amaliyotda yanada ishonchli qiladi.

DSC egri chizigʻining tuzilishini talqin qilish: oʻqlar, asos chizigʻi va kalibratsiya

X oʻqini talqin qilish: harorat va isitish tezligi taʼsiri

DSC egri chiziqlarida gorizontal oʻq haroratni Selsy yoki Kelvin darajalarida oʻlchashni koʻrsatadi. Sinov paytida namunalarni issiqlashtirish tezligi odatda daqiqada 1 darajadan daqiqada 20 darajagacha bo'ladi va bu tanlov natijalarimizning aniqligiga ta'sir qiladi. Issiqlik tezligini oshirganimizda qiziqarli narsalar sodir bo'ladi. O'tish nuqtalari yuqori haroratga qarab harakatlanadi va bu yoqimli o'tkir cho'qqilar alohida qolish o'rniga kengroq bo'ladi. Bu esa bir vaqtning o'zida bir nechta issiqlik jarayonlarini aniqlashni qiyinlashtiradi. Ko'pgina laboratoriyalar polymerlarni tekshirish uchun minutda 10 daraja tezlikda testlarni o'tkazish yaxshi ish ko'rsatishini aniqladi. Bu bizga abadiy vaqt talab qilmasdan yetarlicha tafsilotlarni beradi, garchi ba'zi murakkab materiallar ularning issiqlik izlarini yaxshiroq ajratish uchun sekinroq isitishga muhtoj bo'lishi mumkin.

Y oʻqini kodlash: Issiqlik oqimi va signal kalibratsiyasi

Y oʻqida issiqlik oqimi oʻlchami millivattlarda yoki namuna materialining miligrammlariga nisbatan normalizatsiya qilingan. Bu esa moddalar o'z faza o'zgarishlariga duch kelganda qancha energiya singib olinishini yoki chiqarilishini ko'rsatadi. Signallarni to'g'ri kalibrlash juda muhim, chunki bu boshlang'ich chizig'ini barqaror qilib, biz ko'radigan cho'qqilar aniq o'lchanishini ta'minlaydi. Zamonaviy DSC uskunalarining aksariyati namuna massasiga asoslangan normalizatsiyani avtomatik ravishda amalga oshiradi. Shunga qaramay, hech kim narsalarni standart ma'lumot materiallari bilan qo'lda tekshirishni o'tkazib yubormasligi kerak, masalan, indiy, uning entalpiyaning o'zgarishi qiymati 28,4 joul / gram. Agar biror kishi o'z tajribalaridan ishonchli miqdorli natijalarni istasa, bu amaliy tekshirishlar mutlaqo zarur bo'lib qolmoqda.

DSC termogrammasi tahlilida boshlang'ich holatni tuzatish texnikasi

Asosiy chiziqlar instrument shovqini yoki noyob namunalardan kelib chiqadigan bo'lsa, haqiqiy issiqlik hodisalarini ko'rish uchun tuzatishlar kerak. Bugungi kunda tadqiqotchilarning aksariyati chiziqli ekstrapolatsiya uslublariga tayanishadi. Bu usullar asosda boshlang'ich va oxirgi nuqtalar orasidagi nuqtalarni bog'laydi va ular polimer tahlilida ko'rgan 10 ta asimetrik cho'qqisidan 8 tasida juda yaxshi ishlaydi. Yaxshiyamki, zamonaviy dasturiy ta'minot bu mashaqqatli ishlarning aksariyatini o'z o'rniga oldi. Avtomatlashtirish odamlar o'sha murakkab boshlang'ich va oxirgi harorat nuqtalarini aniqlashga harakat qilishda qilgan xatolarni kamaytiradi. Ba'zi tadqiqotlar ko'rsatishicha, qo'lda qo'llaniladigan usullarga nisbatan xatolar taxminan 40% kamroq, ammo natijalar uskuna sifati va namuna tayyorlashga qarab farq qilishi mumkin.

DSC egri chiziqlarida asosiy issiqlik oʻtishlarini aniqlash va tahlil qilish

Shisha oʻtish harorati (Tg): aniqlash va ahamiyati

Polimer qattiqligidan yumshoqlikka o'tganda, biz bu nuqtani shisha o'tish harorati deb ataymiz. Diferensial skaner kaloriometriya grafikalarida, bu aniq cho'qqidan ko'ra asta-sekin boshlang'ich o'zgarish sifatida ko'rinadi. Ikkinchi darajali o'zgarishlarni topish qiyin ish bo'lishi mumkin, chunki haqiqiy issiqlik quvvati o'zgarishi juda kichik, ba'zan signallarda 1% farq. O'tgan yili chop etilgan so'nggi ishlarda bu signallarni yaxshiroq ajratish uchun yangi matematik yondashuvlar ko'rib chiqildi. Natijalar bu qisman kristal materiallarda Tg qiymatini oʻlchashda taxminan 27% yaxshilanish koʻrsatdi. Yonadigan elektron qismlar bilan ishlaydigan odamlar uchun bu o'zgarish qaerda sodir bo'lishini aniq bilish juda muhim, chunki materiallarning issiqlikka qanday munosabatda bo'lishi mahsulotlarning ishlamaguncha qancha davom etishiga bevosita ta'sir qiladi.

Erish va kristalllashuv choʻqqilari: Endotermik va eksotermik xatti-harakatlar

Materiallar eriganida, ular issiqlikni so'radilar, bu esa biz endotermik cho'qqilar deb atagan narsa sifatida paydo bo'ladi. Boshqa tomondan, narsalar kristallanganida, ular energiyani chiqaradi va o'rniga eksotermik cho'qqilari hosil qiladi. Bularning ko'rinishi, ishlatilgan uskunalarga qarab qiziqarli. Issiqlik oqimi differensial skanerlari kaloriyometrlari endotermik cho'qqilari grafikda pastga tushishini ko'rsatadi, ammo quvvat kompensatsiyasi tizimlari aslida ularni yuqoriga ko'rsatadi. Masalan, polietilenni olaylik, u polikarbonat bilan taqqoslaganda juda aniq erish nuqtalariga ega bo'lib, u holatlar o'rtasidagi o'tishlarni ancha kengroq qiladi. Bu farq bizga materialning kristallligi haqida ma'lumot beradi. Va cho'qqilar haqida gap ketganda, ularning shakli ham muhimdir. Simmetrik cho'qqilar odatda sof materiallarni anglatadi, asimetriya esa odatda ifloslanish muammolariga yoki bir xil modda bir joyda aralashgan ko'p shakllariga ishora qiladi.

Issiqlik hodisasi	Yuqori yo'nalish (issiqlik oqimi DSC)	Energiya oʻzgarishi
Qazish	Pastga qarab	Endotermik (ÎH 0)
Kristalllashuv	Yuqoriga	Ekzotermik (ÎH < 0)

Boshlash, eng yuqori va oxirgi harorat: aniqlanish va aniqlik

O'zgarishlar qachon boshlanishini ko'rib chiqishda, boshlang'ich harorat - aslida narsalar normal darajadan birinchi marta chetga chiqqanida - bizda eng yaxshi belgi bo'lib qoladi, ayniqsa bir vaqtning o'zida bir nechta hodisalar sodir bo'lganda. Yaxshi xabar shuki, avtomatlashtirilgan tizimlar odamlar bu cho'qqilari joyini topishga urinayotganda xatolarni kamaytirishga yordam beradi. To'g'ri o'rnatilgan uskunalar uchun ushbu avtomatlashtirilgan usullar odatda yarim daraja issiqlik darajasida mos natija beradi. Ammo bu borada bir muammo bor. Agar namunalar juda tez isitilib ketsa, aytaylik, daqiqada 20 darajadan tezroq, bu aniqlangan boshlang'ich haroratni 5 darajagacha orqaga surishi mumkin, chunki bu issiqlik orqaga surilishi deb ataladi. Bu amaliyotchilar tajriba o'tkazganlarida yodda tutishlari kerak bo'lgan narsa.

Polimerlar va sanoat materiallarida keng tarqalgan issiqlik hodisalari

DSC egri chiziqlari materialga xos barmoq izlarini koʻrsatadi:

• Qalinlash reaktsiyalari : Epoxid qalinliklarda 200 °C dan past bo'lgan eksotermik cho'qqilar
• Issiqlik bilan parchalanish : Degradatsiya darajasining past darajasiga oʻtish
• Koʻp oʻzgarish farmatsevtika birikmalarida koʻp erish choʻqqilari

Yuqori zichlikdagi polietilen (HDPE) odatda bitta keskin erish cho'qqisini (ÎH -‰ˆ 200 J/g) ko'rsatadi, tarqalgan LDPE esa qayta ishlash oqimini aniqlash uchun kengroq o'tish-akib olish ma'lumotlarini namoyish etadi.

DSC ma'lumotlarining miqdorli tahlili: entalpiya, kristallinlik va molekulaviy tushunchalar

Eng yuqori mintaqa integratsiyasidan foydalangan holda entalpiya oʻzgarishini hisoblash

Diferensial skaner kaloriometriya (DSC) egri chiziqlariga qaraganda, bu cho'qqilar ostidagi joy bizga entalpiyaning o'zgarishi haqida xabar beradi, biz buni ΔH deb ataymiz. Biror narsa eritilganda, u issiqlikni oladi, shuning uchun ΔH uchun ijobiy sonlarni ko'ramiz. Boshqa tomondan, materiallar kristallanganida, ular energiya ajratib, ΔH manfiy oʻqishga olib keladi. Ko'pgina zamonaviy dasturiy ta'minot paketlari ushbu cho'qqilari aniqlangan bazaviy chiziqlar bilan solishtirish orqali hisoblab chiqarish uchun maxsus mo'ljallangan vositalar bilan jihozlangan. To'g'ri natijalarni olish, aslida boshlang'ich yo'nalishdagi o'zgarishni minimal darajada saqlash va jarayon davomida issiqlikni doimiy saqlashga bog'liq. Tajriba shuni ko'rsatadiki, odatda 5% dan katta xatolar kimdir boshlang'ich chiziqni to'g'ri joylashtirmagani uchun sodir bo'ladi.

Polimerlardagi kristallinlikni oʻlchash: usullar va cheklovlar

Polimer materiallaridagi kristalllik miqdori biz namunaning haqiqiy erish entalpiyasini material to'liq kristall bo'lsa nima bo'lishini solishtirishga bog'liq. Uyingizda hisob-kitob qilayotganlar uchun, bu yerda asosiy matematikasi: % Kristallinlik teng (namunaning eritish entalpiyasi mukammal kristall materialning eritish entalpiyasiga bo'linadi) 100 ga ko'paytirilgan. Lekin raqamlarga ko'p e'tibor qaratmaylik. Bu yondashuv bilan real dunyo muammolari bor. Turli laboratoriyalar turli xil materiallardan foydalanishi mumkin va polimerning ishlov berish usuli ham katta farq qiladi. Tez sovutish kristall hosil boʻlishini cheklaydi, materialni oʻtirib, sekin-asta sovutish (qovurish) esa, aslida kristalllikni oshiradi. Bu oʻzgarishlar amaliyotda juda muhimdir. Ushbu omillarni yaxshi nazorat qilmagan holda natijalar 15 foizdan ko'proq farq qilishi mumkin, bu polimerlarning xususiyatlarini aniq belgilashda juda muhimdir.

Yuqori shaklning molekulyar tuzilishi va material sofligi bilan bogʻlanishi

DSC egri chiziqlarida yuqori asimetriya va kenglik molekulyar g'ayritabiiylikni oshkor qiladi. Masalan:

• O'tkir, simmetrik cho'qqilar : Homogen tuzilmalar (masalan, yuqori soflikdagi qo'shimchalar)
• Keng yelkalar yoki koʻp maximalar : aralashmalar yoki buzilgan polimerlar
  Dekonvolyutsiya algoritmlari bir-biriga oʻxshash oʻtishlarni ajratib oladi. Nishonlar to'siqlarni buzish orqali cho'qqilarni kengaytiradi - cho'qqi kengligi tahlili farmatsevtika mahsulotlarida < 0,5% ifloslantiruvchi moddalarni aniqlaydi.

Umumiy muammolarni bartaraf etish va DSC talqinining aniqligini ta'minlash

Dekonvolyutsiya texnikasi yordamida bir-biriga toʻsiq boʻlgan va asimetrik choʻqqilari hal qilish

DSC egri chiziqlariga qarash ko'pincha shisha o'tish yoki erish nuqtalari kabi muhim o'tishlarni yashiradigan to'siqlarni oshkor qiladi. Ushbu muammoni hal qilish uchun ilgʻor egri dekonvolyutsiya yondashuvlari issiqlik oqimi oʻlchashlariga matematik moslamalardan foydalangan holda ushbu bogʻlangan signallarni ajratadi. Modullashtirilgan DSC texnikasi (MDSC) o'zgargan tarzda ishlaydi, bu sinus to'lqinlarini qo'shish orqali odatdagi isitish tezligiga, bu esa aslida nima sodir bo'layotganini ko'rish qobiliyatini yaxshilaydi. Bu ajratish aniq cho'qqilari aniqlanishini va har bir o'tishni aniq o'lchashni osonlashtiradi. Bu polimerlarning vaqt o'tishi bilan qanday eskirishini o'rganish yoki bir vaqtning o'zida bir nechta issiqlik jarayonlari sodir bo'lgan murakkab materiallar bilan ishlash uchun juda muhimdir.

Issiqlik tezligining yuqori aniqlikka va ma'lumotlarni qayta ishlashga ta'siri

Biror narsa issiqlanish tezligi biz ko'rib turgan DSC egri chiziqlarida o'tishlarning aniqligi uchun katta rol o'ynaydi. Agar narsalar juda tez issiq bo'lsa, endotermik cho'qqilari yuqori haroratga qarab harakatlanadi, bu esa ularni ba'zan ajratib ko'rish qiyinlashtiradi. Polimerlar bo'yicha ba'zi tadqiqotlar shuni ko'rsatadiki, bu aslida bir-biriga yopishib turish muammolarini taxminan 15% ga ko'paytirishi mumkin. Boshqa tomondan, har daqiqada 5 daraja issiqlik darajasidan past bo'lganda sekin harakat qilish, materiallar kristallanib ketadigan vaqt va eriydigan vaqt kabi qo'shni o'zgarishlarni ajratib turishga yordam beradi. Ko'pchilik standart sinovlar odamlarga issiqlik tezligini aniq yozishni talab qiladi, chunki agar odamlar minutda 20 daraja tezlikdan yuqori bo'lgan tezlikni oshirib yuborsak, natijalar sinovlar o'rtasida yaxshi mos kelmaydi - farq 10 foizga ko'payishi mumkin. Bularning barchasi vaqtni behuda sarflamasdan yetarlicha tafsilotlarga ega bo'lgan o'sha joyni topish haqida. Eng yaxshi natijalar uchun ma'lum standartlarga mos keladigan o'rtacha narxni tanlang.

Asosiy oʻzgarishlarni haqiqiy issiqlik oʻzgarishlaridan farqlash

Ba'zan, aslida issiqlik hodisalari bo'lmagan narsalar DSC termogrammalarida o'tish kabi ko'rinadi. Namunalar bilan bog'liq muammolar yoki birikmalar bug'lanib ketishi shisha o'tishlarga o'xshash egri boshlang'ich chiziqlarni yaratishi mumkin. Haqiqiy o'tishlarni soxtalardan ajratish uchun, barqarorlikni tekshiring. Haqiqiy o'zgarishlar har safar issiqlik va sovutish davrida bir xil tarzda paydo bo'ladi, bu esa turli xil materiallarning ma'lum xususiyatlariga asoslanib biz kutgan narsaga mos keladi. Sinovlarni o'tkazishdan oldin, oksidlash muammolari tufayli yuzaga keladigan oqimlarni kamaytirish uchun inert gaz bilan tozalash yordam beradi. Ma'lumotlarni tahlil qilish uchun polinomli moslashuv texnikasi yoki dinamik kuch kompensatsiyasi usullaridan foydalangan holda asos chizig'ini ayirish namunada nimalar sodir bo'layotganini aniqlashga yordam beradi.

Namuna tayyorlash, kalibrlash va standartlashtirish bo'yicha eng yaxshi amaliyotlar

Фабрика	Standart protokol	Aniqlikka ta'siri
Namuna massasi	5 - 15 mg (ISO 11357)	Signal toʻyishiga yoʻl qoʻymaydi
Qurultoy hajmi	< 100 μm (po'lat)	Issiqlik oʻtkazishni bir xil taʼminlaydi
Калибрировка	Ikki nuqta (indiy/zink)	± 0,1 °C harorat aniqligi
Atmosfera nazoratini amalga oshirish	N purging ‰¥50 mL/min	Oksidatsiyaviy buzilishidan saqlaydi

Aniq oʻlchovlar uchun haroratni kalibrlash uchun ASTM E967 va entalpiyani tasdiqlash uchun ASTM E793 kabi standartlashtirilgan usullar kerak. Takrorlanadigan natijalar namunalarning bir xil qoplanishi, tekshirilgan ma'lumot materialining integratsiyasi va hujjatlashtirilgan kalibrlash oralig'idan kelib chiqadi. Ushbu nazoratlarni amalga oshirish laboratoriyalararo oʻzgaruvchanlikni 38 foizgacha kamaytiradi.

Ko'p so'raladigan savollar

Nimaligi Differensial Skaning Kalorimetriya (DSC)?

Diferensial skanerlash kaloriometrisi - bu materiallar issiq yoki sovutilganda issiqlikni qanday qabul qilish yoki chiqarishni o'lchash uchun ishlatiladigan usul bo'lib, u erish, kristallashish yoki shisha o'tish kabi o'zgarishlarni aniqlashga yordam beradi.

DSC qanday ishlaydi?

DSC bir vaqtning o'zida namuna va ma'lumot materialini isitish yoki sovutishni o'z ichiga oladi. DSC ikki reaksiya oʻrtasidagi issiqlik oqimi farqni oʻlchaydi va endotermik (issiqlikni solib oʻtish) yoki eksotermik (issiqlikni chiqarish) reaksiyalarni aniqlaydi.

DSC tizimining asosiy tarkibiy qismlari qanday?

DSC tizimi odatda namuna va ma'lumot keltirish quvurlarini, haroratni nazorat qiladigan pechni, termokopallar yoki sensorlarni va ma'lumotlarni olish dasturiy ta'minotini o'z ichiga oladi. Zamonaviy tizimlarda oksidatsiyaviy buzilishni kamaytirish uchun tozalash gazlari tizimlari ham mavjud.

Nima uchun DSC tajribalarida haroratni nazorat qilish muhim?

Issiqlik hodisalarining aniq farqlanishini, yaxshiroq aniqlikni va ishonchli miqdorli natijalarni ta'minlash orqali aniq DSC ma'lumotlarini olish uchun aniq haroratni nazorat qilish juda muhimdir.

Shisha oʻtish harorati (Tg) ning ahamiyati qanday?

Shisha o'tish harorati polimer qattiq holatdan moslashuvchan holatga o'zgaradigan nuqtadir. Bu moslashuvchan elektron komponentlar kabi dasturlar uchun muhim ma'lumot.

DSC ma'lumotlaridan entalpiya o'zgarishlarini qanday hisoblash mumkin?

Entalpiyaning oʻzgarishi DSC egri chizigʻidagi pogʻonalar ostidagi maydondan kelib chiqadi, bu faza oʻzgarishi paytida singib olinadigan yoki chiqarilgan issiqlikni ifodalaydi.

DSC tahlilida qanday qiyinchiliklar mavjud?

Muammolarga bir-biriga yopishib ketadigan cho'qqilar, boshlang'ich chiziqning o'zgaruvchanligi va o'lchashning aniqligini ta'minlash kiradi. Namunalarni to'g'ri tayyorlash, kalibrlash va standartlashtirilgan usullar bu muammolarni hal qilishga yordam beradi.