Was ist Differenzkalorimetrie?

 

Polymere werden üblicherweise mit dem ZL-3047A DSC analysiert, um ihre thermischen Übergangspunkte zu bestimmen, darunter die Glasübergangstemperatur (Tg), die Kristallisationstemperatur (Tc) und die Schmelztemperatur (Tm). Diese thermischen Übergänge definieren oft den Betriebsbereich von Polymeren, um bestimmte Leistungsspezifikationen zu erfüllen. Da sowohl das Verarbeitungsverhalten als auch die Materialeigenschaften von rheologischen Eigenschaften beeinflusst werden, können rheologische Messungen auch wichtige Erkenntnisse zur Optimierung von Polymerstrukturen liefern.

 

ZL-3047A DSC ist hocheffektiv für die Untersuchung pharmazeutischer Materialien. Es kann erkennen:

Polymorphismus (verschiedene kristalline Formen)

Strukturelle Veränderungen im Laufe der Zeit (Alterungseffekte)

Amorpher Anteil (Stabilitätsbewertung)

Arzneimittel-Hilfsstoff-Kompatibilität (Formulierungsscreening)

 

Die daraus resultierenden Daten können die Bioverfügbarkeit, die Verarbeitungsbedingungen, die Lageranforderungen und die Haltbarkeitsdauer von Arzneimitteln erheblich beeinflussen. In vielen Fällen stehen nur geringe Probenmengen zur Verfügung, sodass hochempfindliche DSC-Geräte unerlässlich sind.

Kalorimetrie → Misst, wie viel Wärme ein Material beim Erhitzen/Abkühlen aufnimmt oder abgibt.

 

Scannen → Bezeichnet programmgesteuerte lineare Temperaturänderungen, zB Aufheizen mit 10°C pro Minute.

 

Differential (das Schlüsselkonzept!) → Bedeutet, die Probe mit einem Referenzmaterial zu vergleichen, um den Wärmestromunterschied zu messen.

 

Mit anderen Worten, das DSC-Instrument enthält im Inneren zwei Pfannen:

  • Einer hält Ihre Probe

  •Während der andere eine „Referenzmaterial“ (normalerweise ein inerter, leerer Tiegel, der keinen thermischen Veränderungen unterliegt).

Materialtyp	Primäre DSC-Anwendungen	Gemeinsame Parameter
Fasern (z. B. Polyester-, Nylonfasern)	– Analyse des Kristallisationsverhaltens (Kristallinität) – Bewertung der Eignung von Wärmebehandlungs-/Nachspinnprozessen – Überprüfen Sie die Konsistenz von Charge zu Charge	Tg, Tm, Kaltkristallisationspeak, Kristallinität
Filme (zB BOPP, PET-Folien)	– Untersuchung der Unterschiede im thermischen Verhalten vor/nach der biaxialen Dehnung – Schmelzpunktverteilung analysieren (polymorphe Phasen erkennen) – Untersuchung der Beziehung zwischen Heißsiegelfähigkeit und Kristallinität	Tg, Tm, Kristallinität, Schmelzpeakbreite
Allgemeine Kunststoffe (z. B. PP, PE, ABS)	– Kristallin/amorphes Verhältnis bestimmen – Rohstoffarten identifizieren (Tg/Tm als „Fingerabdrücke“) – Misch-/Modifikationseffekte bewerten	Tg, Tm, ΔH (Schmelzen), ΔH (Kristallisation)
Klebstoffe (zB Epoxid, PUR)	– Reaktion/Aushärtungsgrad beurteilen – Analyse der Vernetzungsdichte – Unterscheidung zwischen thermoplastischen und reaktiven Typen – Messen Sie Tg, um den Betriebstemperaturbereich vorherzusagen	Tg, Exothermer Peak, Restreaktionswärme
Beläge (zB EPDM, SBR, Silikon)	– Korrelieren Sie Tg mit dynamischer Leistung – Änderungen der Vernetzungsdichte auswerten	Tg, Tg-Verschiebung, thermische Verlaufseffekte

 

Die folgende Abbildung ist eine typische DSC-Kurve, die vier Arten von Übergängen zeigt:

Der Temperaturkoeffizient ist →.

Ⅰ   Bei einem sekundären Übergang handelt es sich um eine Änderung der horizontalen Grundlinie

Ⅱ  Der Wärmeabsorptionspeak wird durch das Schmelzen oder den Schmelzübergang der Probe verursacht.

Ⅲ  Der Wärmeabsorptionspeak wird durch die Zersetzungs- oder Spaltungsreaktion des Prüfmusters verursacht.

Ⅳ  ist der exotherme Peak, der das Ergebnis des kristallinen Phasenübergangs der Probe ist

 

Interpretation der DSC-Diagrammachsen

X-Achse (Horizontale Achse)

• Stellt dar: Temperatur

• Einheit: Grad Celsius (°C)

• Erläuterung: Unkompliziert – zeigt den Temperaturanstieg während des Heizens/Kühlens.

Y-Achse (vertikale Achse)

• Stellt dar: Wärmefluss (auch genannt Wärmeleistung)

• Einheit: Milliwatt (mW)

• Schlüsselerklärung:

  • Die Y-Achse nicht Temperatur oder Gesamtenergie anzeigen.

  • Es misst die Wärmestromdifferenz zwischen der Probe und der Referenzpfanne, um die gleiche Heizrate aufrechtzuerhalten.

  • Beispiel:

    • Wenn der DSC anzeigt Wärmestrom = 8 mWbedeutet:

      • Die Probe ist Wärme absorbieren (endotherm).

      • Das Gerät liefert 0,008 J/s zusätzlich zur Probe (im Vergleich zur Referenz), um beide mit der gleichen Geschwindigkeit zu erhitzen.

Steigung (Änderungsrate des Wärmestroms)

• Definition: Wie schnell sich der Wärmefluss pro Temperatur-/Zeiteinheit ändert.

• Interpretation:

  • Steilere Steigung → Die Wärmeaufnahme beschleunigt sich (z. B. plötzliches Schmelzen).

  • Flachere Piste → Der Wärmefluss ändert sich allmählich.

  • Steileres Gefälle → Die Wärmefreisetzung nimmt zu (z. B. beginnt eine exotherme Reaktion).

Anmerkung: Die „positive“ oder „negative“ Richtung der Peaks auf einer DSC-Kurve ist nicht absolut – sie hängt von der Einstellung der Wärmeflussrichtung.

DSC erfüllt unter anderem die folgenden internationalen Standards.

Standard Nr.	Umfang der Anwendung	Wichtigste Inhalte
ISO 11357	DSC-Prüfung von Kunststoffen	Glasübergang (Tg), Schmelzen (Tm), Kristallisation, oxidative Stabilität
ASTM E967	DSC-Temperaturkalibrierung	Temperaturkalibrierung mit Referenzmaterialien (z. B. Indium, Zink)
ASTM E968	DSC-Wärmestromkalibrierung	Wärmestromsignalkalibrierung über Schmelzenthalpie
JIS K 7121	Japanischer Industriestandard (entspricht ISO 11357)	Grundlegende Methoden zur thermischen Analyse von Kunststoffen

 

Materialspezifische Normen

Polymere

• ISO 11357-3: Kristallinitätsmessung

• ASTM D3418: Schmelz-/Kristallisationstemperaturen und Enthalpie

• ASTM D7426: Kautschuk-Tg-Analyse

Pharmazeutika

• USP <891>: Validierung der thermischen Analyse

• ICH Q6A: Polymorph-Erkennung (DSC ist die primäre Methode)

Metalle

• ASTM E794: Bestimmung des Metallschmelzpunkts

• ISO 17851: Oxidationsverhalten

 

Spezialisierte Methoden

 

Kalibrierung und Validierung

• ISO 11357-1: Grundlegende DSC-Kalibrierung

• ASTM E2716: Verfahren zur Datenvalidierung

• NIST SRM 720: Saphir-Wärmekapazitätsstandard

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