Diferenciální skenovací kalorimetrie (DSC) ZL-3047A je analytická technika používaná k měření tepla uvolněného nebo absorbovaného vzorkem během ohřevu nebo ochlazování v určitém teplotním rozsahu. Kromě charakterizace tepelných vlastností materiálů se DSC používá také ke stanovení teplot, při kterých dochází ke specifickým fázovým přechodům, včetně teploty skelného přechodu, teploty tání a krystalizace.
Pro provedení experimentu s diferenční skenovací kalorimetrií je zapotřebí přístroj, který dokáže poskytnout potřebný teplotní rozsah pro testování a přesně monitorovat změny teploty a tepelného toku.
A Přístroj DSC s tepelným tokem Skládá se z pece, kde je umístěn vzorek a referenční materiál. Vzorek je zapouzdřen v kovové pánvi (obvykle hliníkové), zatímco referencí je obvykle prázdná pánev. Pec se zahřívá nebo ochlazuje a charakteristiky tepelného toku se sledují v závislosti na teplotě. Kvantitativní informace o tepelném toku lze určit z naměřeného teplotního rozdílu mezi vzorkem a referencí.
Po všech těchto technických úvahách si možná stále kladete otázku – co přesně je DSC? Dnes si to rozebereme srozumitelně, abychom pochopili jeho základní princip.
Jinými slovy, přístroj DSC obsahuje uvnitř dvě misky:
• Jeden pojme váš vzorek
• Zatímco druhý drží „referenční materiál“ (obvykle inertní, prázdný kelímek, který nepodléhá žádným tepelným změnám).
Zde je důvod:
Představte si, že vaříte a chcete zjistit, jestli je něco v pánvi měnící se (jako opékání steaku). Máte:
-
Pánev AObsahuje váš vzorek (např. steak)
-
Pánev BPrázdné (pouze pánev)
Zahřejete obě pánve identicky na oddělených, ale identických sporácích.
Pokud sledujete pouze Pan A:
Vidíte, jak jeho teplota stoupá, ale vy nemůžu říct:
-
Absorbuje pánev sama teplo?
-
Probíhá endotermická reakce a steak se vaří?
-
Nebo je to jen kolísání výkonu sporáku?
→ Jen o chování steaku se nic nedozvíte!
Ale pokud porovnáte pánev A a pánev B:
Když se pánev A zahřeje pomalejší (protože steak absorbuje teplo k vaření), zatímco pánev B se ohřívá normálně → Uvědomujete si:
„Aha! Něco v pánvi A absorbuje teplo – prochází fyzikální změnou (jako je tání nebo skelný přechod)!“
Toto je „diferenciální“ princip:
Neměříš. absolutní teplo v pánvi A— sledujete to rozdíl tepelného toku mezi pánví A a pánví B.
Typ materiálu |
Primární aplikace DSC |
Společné parametry |
Vlákna (např. polyesterová, nylonová vlákna) |
– Analyzovat krystalizační chování (krystalinitu) – Vyhodnotit adekvátnost tepelného zpracování/procesů po zvlákňování – Kontrola konzistence mezi jednotlivými šaržemi |
Tg, Tm, vrchol studené krystalizace, krystalinita |
Filmy (např. BOPP, PET fólie) |
– Studium rozdílů v tepelném chování před/po biaxiálním natahování – Analyzovat distribuci bodu tání (detekovat polymorfní fáze) – Prozkoumat vztah mezi tepelnou svařitelností a krystalinitou |
Tg, Tm, krystalinita, šířka píku tání |
Obecné plasty (např. PP, PE, ABS) |
– Stanovení poměru krystalické a amorfní struktury – Identifikace typů surovin (Tg/Tm jako „otisky prstů“) – Vyhodnoťte efekty prolínání/modifikace |
Tg, Tm, ΔH (tání), ΔH (krystalizace) |
Lepidla (např. epoxid, PUR) |
– Posouzení stupně reakce/vytvrzení – Analyzovat hustotu zesítění – Rozlišování termoplastických a reaktivních typů – Měření Tg pro předpověď rozsahu provozních teplot |
Tg, exotermický pík, zbytkové reakční teplo |
Gumy (např. EPDM, SBR, silikon) |
– Korelujte Tg s dynamickým výkonem – Vyhodnoťte změny hustoty zesítění |
Tg, posun Tg, vlivy tepelné historie |
Následující obrázek je typická křivka DSC zobrazující čtyři typy přechodů:
Teplotní koeficient je →
Ⅰ U sekundárního přechodu je to změna vodorovné základní linie
Ⅱ Pro vrchol absorpce tepla je způsoben tavením nebo tavným přechodem testovaného vzorku
Ⅲ Pro vrchol absorpce tepla je způsoben rozkladnou nebo štěpnou reakcí testovaného vzorku
Ⅳ je exotermický pík, který je výsledkem přechodu krystalické fáze vzorku
Interpretace os grafu DSC
Osa X (vodorovná osa)
-
PředstavujeTeplota
-
JednotkaStupně Celsia (°C)
-
Vysvětlení: Jednoduché – zobrazuje teplotní nárůst během vytápění/chlazení.
Osa Y (vertikální osa)
-
Představuje: Tepelný tok (také nazývaný Tepelná energie)
-
JednotkaMiliwatty (mW)
-
Vysvětlení klíče:
-
Osa Y ano ne zobrazit teplotu nebo celkovou energii.
-
Měří rozdíl tepelného toku mezi vzorkem a referenční pánví, aby se udržela stejná rychlost ohřevu.
-
Příklad:
-
Pokud DSC ukazuje Tepelný tok = 8 mW, to znamená:
-
Vzorek je absorbující teplo (endotermický).
-
Přístroj dodává 0,008 J/s navíc ke vzorku (oproti referenčnímu vzorku), aby se oba ohřívaly stejnou rychlostí.
-
-
-
Sklon (rychlost změny tepelného toku)
-
DefiniceJak rychle se mění tepelný tok za jednotku teploty/času.
-
Výklad:
-
Strmější stoupání → Absorpce tepla se zrychluje (např. náhlé tání).
-
Plochější sklon → Tepelný tok se mění postupně.
-
Strmější svah dolů → Uvolňování tepla se zvyšuje (např. začíná exotermická reakce).
-
Poznámka: „Kladný“ nebo „negativní“ směr píků na DSC křivce není absolutní – závisí na přístroji. nastavení směru tepelného toku.
Mezi mezinárodní standardy, které DSC splňuje, patří:
Standardní číslo | Rozsah aplikace | Klíčový obsah |
ISO 11357 | DSC testování plastů | Skelný přechod (Tg), teplota tání (Tm), krystalizace, oxidační stabilita |
ASTM E967 | Kalibrace teploty DSC | Kalibrace teploty s použitím referenčních materiálů (např. india, zinku) |
ASTM E968 | Kalibrace tepelného toku DSC | Kalibrace signálu tepelného toku pomocí entalpie tání |
JIS K 7121 | Japonská průmyslová norma (ekvivalent normy ISO 11357) | Základní metody termické analýzy plastů |
Materiálově specifické normy
Polymery
-
ISO 11357-3Měření krystalinity
-
ASTM D3418Teploty tání/krystalizace a entalpie
-
ASTM D7426Analýza Tg kaučuku
Farmaceutické výrobky
-
USP <891>Validace termické analýzy
-
ICH Q6ADetekce polymorfů (DSC je primární metoda)
Kovy
-
ASTM E794Stanovení bodu tání kovu
-
ISO 17851Oxidační chování
Specializované metody
Norma | Typ testu | Příklad aplikace |
---|---|---|
ISO 11357-6 | Doba oxidační indukce (OIT) | Stabilita polyethylenových trubek |
ASTM D3895 | Zkouška OIT z polyolefinů | Aditivní účinnost |
ISO 11357-4 | Měření tepelné kapacity | Kompozitní materiály |
Kalibrace a validace