Wat is Differentiële Scanning Calorimetrie?

 

Polymeren worden doorgaans geanalyseerd met ZL-3047A DSC om hun thermische overgangspunten te bepalen, waaronder de glasovergangstemperatuur (Tg), kristallisatietemperatuur (Tc) en smelttemperatuur (Tm). Deze thermische overgangen bepalen vaak het operationele bereik voor polymeren om aan specifieke prestatie-eisen te voldoen. Omdat zowel het verwerkingsgedrag als de materiaaleigenschappen worden beïnvloed door reologische eigenschappen, kunnen reologische metingen ook cruciale inzichten bieden voor het optimaliseren van polymeerstructuren.

 

De ZL-3047A DSC is zeer effectief voor het bestuderen van farmaceutische materialen. Hij kan het volgende detecteren:

Polymorfisme (verschillende kristalvormen)

Structurele veranderingen in de loop van de tijd (verouderingseffecten)

Amorfe inhoud (stabiliteitsbeoordeling)

Compatibiliteit van geneesmiddel en hulpstof (screening van formulering)

 

De resulterende gegevens kunnen een aanzienlijke impact hebben op de biologische beschikbaarheid van het geneesmiddel, de verwerkingsomstandigheden, de opslagvereisten en de houdbaarheid. In veel gevallen zijn er slechts kleine monsterhoeveelheden beschikbaar, waardoor zeer gevoelige DSC-instrumenten essentieel zijn.

Calorimetrie → Meet hoeveel warmte een materiaal absorbeert of afgeeft tijdens verwarmen/afkoelen.

 

Scannen → Verwijst naar programmagestuurde lineaire temperatuurveranderingen, bijvoorbeeld verwarming met 10°C per minuut.

 

Differentieel (het sleutelconcept!) → Betekent dat het monster wordt vergeleken met een referentiemateriaal om het warmtestroomverschil te meten.

 

Met andere woorden, het DSC-instrument bevat twee pannen:

  •Je houdt je monster vast

  •Terwijl de ander een “referentiemateriaal” (meestal een inerte, lege smeltkroes die geen thermische veranderingen ondergaat).

Materiaaltype	Primaire DSC-toepassingen	Algemene parameters
Vezels (bijv. polyester-, nylonvezels)	– Analyseer kristallisatiegedrag (kristalliniteit) – Evalueer de adequaatheid van warmtebehandelings-/naspinprocessen – Controleer de consistentie van batch tot batch	Tg, Tm, Koude kristallisatiepiek, Kristalliniteit
Films (bijv. BOPP, PET-films)	– Bestudeer de verschillen in thermisch gedrag voor/na biaxiaal rekken – Analyseer de smeltpuntverdeling (detecteer polymorfe fasen) – Onderzoek naar de relatie tussen warmte-afdichtbaarheid en kristalliniteit	Tg, Tm, Kristalliniteit, Smeltpiekbreedte
Algemene kunststoffen (bijv. PP, PE, ABS)	– Bepaal de kristallijne/amorfe verhouding – Identificeer de soorten grondstoffen (Tg/Tm als “vingerafdrukken”) – Evalueer de effecten van mengen/modificeren	Tg, Tm, ΔH (smelten), ΔH (kristallisatie)
Lijmen (bijv. Epoxy, PUR)	– Beoordeel de reactie-/uithardingsgraad – Analyseer de crosslinkdichtheid – Onderscheid thermoplastische en reactieve typen – Meet Tg om het servicetemperatuurbereik te voorspellen	Tg, Exotherme piek, Resterende reactiewarmte
Rubbers (bijv. EPDM, SBR, siliconen)	– Correleer Tg met dynamische prestaties – Evalueer veranderingen in de crosslinkdichtheid	Tg, Tg-verschuiving, thermische geschiedeniseffecten

 

De volgende afbeelding toont een typische DSC-curve met vier soorten overgangen:

Temperatuurcoëfficiënt is →

Ⅰ   Bij een secundaire overgang is het een verandering in de horizontale basislijn

Ⅱ  Voor de warmteabsorptiepiek geldt dat deze wordt veroorzaakt door het smelten of de smeltovergang van het testmonster

Ⅲ  Voor de warmteabsorptiepiek wordt deze veroorzaakt door de ontledings- of splitsingsreactie van het testmonster

Ⅳ  is de exotherme piek, die het resultaat is van de kristallijne faseovergang van het monster

 

Interpretatie van DSC-grafiekasassen

X-as (horizontale as)

• Vertegenwoordigt: Temperatuur

• Eenheid: Graden Celsius (°C)

• Uitleg:Eenvoudig – toont de temperatuurstijging tijdens verwarmen/koelen.

Y-as (verticale as)

• Vertegenwoordigt: Warmtestroom (ook wel genoemd Warmtekracht)

• Eenheid: Milliwatt (mW)

• Belangrijkste uitleg:

  • De Y-as doet niet temperatuur of totale energie weergeven.

  • Het meet de warmtestroomverschil tussen het monster en de referentiepan om dezelfde verwarmingssnelheid te behouden.

  • Voorbeeld:

    • Als de DSC leest Warmtestroom = 8 mW, het betekent:

      • Het monster is warmte absorberen (endotherm).

      • Het instrument levert 0,008 J/s extra aan het monster (versus referentie) om beide verhittingsprocessen op hetzelfde tempo te houden.

Helling (snelheid van verandering van warmtestroom)

• Definitie: Hoe snel de warmtestroom verandert per eenheid temperatuur/tijd.

• Interpretatie:

  • Steilere opgaande helling → De warmteopname neemt toe (bijvoorbeeld door plotseling smelten).

  • Vlakkere helling → De warmtestroom verandert geleidelijk.

  • Steilere neerwaartse helling → De warmteafgifte neemt toe (bijvoorbeeld, er start een exotherme reactie).

Opmerking: De “positieve” of “negatieve” richting van pieken op een DSC-curve is niet absoluut; deze hangt af van de instelling van de warmtestroomrichting.

Hieronder volgen enkele internationale normen waaraan DSC voldoet.

Standaard nr.	Toepassingsgebied	Belangrijkste inhoud
ISO 11357	DSC-testen van kunststoffen	Glasovergang (Tg), smelten (Tm), kristallisatie, oxidatieve stabiliteit
ASTM E967	DSC-temperatuurkalibratie	Temperatuurkalibratie met behulp van referentiematerialen (bijv. indium, zink)
ASTM E968	DSC-warmtestroomkalibratie	Kalibratie van warmtestroomsignalen via smelt-enthalpie
JIS K 7121	Japanse industriële norm (gelijkwaardig aan ISO 11357)	Basismethoden voor thermische analyse van kunststoffen

 

Materiaalspecifieke normen

Polymeren

• ISO 11357-3: Kristalliniteitsmeting

• ASTM D3418: Smelt-/kristallisatietemperaturen en enthalpie

• ASTM D7426: Rubber Tg-analyse

Farmaceutische producten

• USP <891>: Validatie van thermische analyse

• ICH Q6A: Polymorfdetectie (DSC is de primaire methode)

Metalen

• ASTM E794: Bepaling van het smeltpunt van metalen

• ISO 17851: Oxidatiegedrag

 

Gespecialiseerde methoden

 

Kalibratie en validatie

• ISO 11357-1: Basis DSC-kalibratie

• ASTM E2716: Gegevensvalidatieprocedures

• NIST SRM 720: Standaard warmtecapaciteit van saffier

•