مقدمة
غالبًا ما يتم تحديد جودة نتائج DSC في وقت مبكر من مرحلة إعداد العينة واختيار معلمة القياس. تلعب البوتقة المختارة دورًا مهمًا هنا. تعد المتغيرات مثل مادة البوتقة وشكلها وحجمها وكتلتها، وكذلك حالة الغطاء (نعم/لا/مغلقة/مغلقة)، عوامل مؤثرة مهمة. ستتم مناقشة أول عاملين من هذه العوامل - مادة البوتقة وشكلها - بمزيد من التفصيل في هذه المقالة.
بالنسبة لفحوص DSC، تُستخدم البوتقة في المقام الأول كحاوية للعينة والمادة المرجعية - تمامًا كما هو الحال مع وعاء على موقد - يجب أن تحمي البوتقة المستشعر من التلوث وتوزع الحرارة على العينة أو المادة المرجعية بالتساوي قدر الإمكان دون أن تتفاعل معها. وبالإضافة إلى ذلك، يجب أن توفر البوتقة نقلًا جيدًا للحرارة إلى المستشعر بحيث يمكن اكتشاف أدنى تغيير في العينة. العوامل الحاسمة هنا هي الموصلية الحرارية لمادة البوتقة ودرجة التلامس بين قاع البوتقة والمستشعر.
توفر الموصلية الحرارية العالية نقلًا حراريًا جيدًا للحرارة
تصف الموصلية الحرارية لمادة ما (الرمز: λ) انتقال الطاقة - في شكل حرارة - عبر جسم ما بناءً على تدرج درجة الحرارة. وكلما زادت الموصلية الحرارية، زادت كمية الطاقة المنقولة وبالتالي زادت فعالية التبادل الحراري.
يلخص الجدول التالي الموصلية الحرارية لمختلف مواد البوتقة. 1. وهو يؤكد أن المعادن لديها قيمة λ أعلى من السيراميك (الألومينا) على سبيل المثال، وبالتالي فهي موصلات حرارية أفضل. إن الموصلية الحرارية للألومنيوم، عند 237 وات/(م-ك)، أعلى من تلك الخاصة بالبلاتين وأعلى بكثير من تلك الخاصة بالألومينا، ولكنها لا تزال أقل بكثير من تلك الخاصة بالذهب والنحاس والفضة.
الجدول 1: البيانات الفيزيائية الحرارية لبعض مواد البوتقة النموذجية عند RT
المادة | الموصلية الحرارية λ (W/(m-K)) | الانتشار الحراري (مم²/ثانية) | السعة الحرارية النوعية cp (J/(g-K)) |
|---|---|---|---|
| ألومنيوم | 237(1) | 98.8(3) | 0.9(1) |
| البلاتين | 71.6(1) | 25(3) | 0.13(1) |
| Al2O3 (α) | 28(3) | 10.2(2) | 0.76(2) |
| نحاس | 404(1) | 117(3) | 0.39(1) |
| فضة | 429(1) | 173(3) | 0.23(1) |
| ذهب | 317(1) | 127.2(3) | 0.13(1) |
ويوضح الشكل 1 الاختلافات المذكورة أعلاه من خلال ثلاثة قياسات مختلفة على الإنديوم في بوتقات الألومنيوم والألومنيوم الثنائي الأكسيد ثلاثي الأكسجين والبلاتين/الروديوم. مع نفس كتلة العينة والظروف المتطابقة، أظهر القياس الذي تم إجراؤه في بوتقة الألومنيوم (المنحنى الأحمر) أكبر قمة تليها تلك التي أجريت في بوتقة Pt/Rh (الأزرق). يُظهر المنحنى الأسود المنقط أصغر قمة ويمثل القياس في بوتقة Al2O3. تخلق الفضة والذهب سبائك عند التلامس مع الإنديوم وبالتالي لم يتم تضمينها في سلسلة الاختبار هذه.
تنعكس خصائص نقل الحرارة الجيدة للمعادن ليس فقط في ارتفاعات الذروة المقابلة، ولكن أيضًا فيما يسمى بالثابت الزمني. يُعرّف هذا بأنه مقدار الوقت الذي تحتاجه إشارة القياس للانخفاض من قمة ذروتها إلى 1/e من الشدة (يتوافق مع انخفاض بنسبة 63% تقريبًا). حتى من دون بيانات رقمية دقيقة، يمكن أن نرى في الشكل 1 أن الميل الذي يلي ذروة الانصهار ينخفض بشكل أقل حدة للقياس الذي أُجري في بوتقة Al2O3 مقارنةً بالقياسات التي أُجريت في البوتقات المعدنية. وكلما كانت الذروة أضيق (على سبيل المثال، كلما كان ثابت الزمن أقصر)، كلما تم فصل التأثيرات المجاورة بشكل أفضل، وبالتالي كانت الدقة أفضل. العوامل المحورية هنا هي الانتشارية الحرارية (الرمز: a)، والتي تشير إلى مدى سرعة تفاعل المادة مع تغير درجة الحرارة والكتلة الحرارية (m-cp) (لمعرفة a وcp، انظر أيضًا الجدول 1).
يُظهر الشكل 2 قياس عينة حقيقية على PET، تم إجراؤه في بوتقات الألومنيوم (هنا في بوتقات كونكافوس، المنحنى الأزرق) وفي بوتقات Al2O3 (الخط المنقط الأحمر). يتفوق DSC، الذي يعكس الاختبار في بوتقات الألومنيوم، هنا على القياس في بوتقات Al2O3 من حيث شدة الذروة (أعلى) وعرض الذروة (أضيق).
إن حقيقة أن الألومنيوم أقل تكلفة بكثير من المعادن الثمينة الذهب والفضة وأنه ليس له تأثير تحفيزي على المواد العضوية، كما هو الحال بالنسبة للنحاس (عبارة طنانة: الاستقرار التأكسدي لتغليف الكابلات في بوتقات النحاس)، جعلت الألومنيوم مادة بوتقة قياسية للبوليمرات والعديد من الأدوية والأغذية. وتبلغ درجة انصهار الألومنيوم النقي 660.3 درجة مئوية، لذا فإن نطاق درجة حرارة استخدام بوتقات الألومنيوم يقتصر على 610 درجة مئوية كحد أقصى.
شكل البوتقة - الشكل يتبع الوظيفة
العامل الآخر في تحسين نقل الحرارة هو التلامس الجيد بين قاع البوتقة والمستشعر. من الناحية النظرية، سيكون قاع البوتقة المستوي تمامًا والموضوع على مستشعر مستوٍ تمامًا هو التركيبة المثالية. ومع ذلك، يجب على المرء أن يأخذ في الاعتبار أنه حتى الأسطح المعدنية المستوية من الناحية العيانية تتكون من ارتفاعات وانخفاضات مجهرية تعزى إلى خشونة السطح - لذلك عندما تلتقي الأسطح المستوية للبوتقة والمستشعر، لا يتم التلامس فعليًا إلا في نقاط معينة. وكلما زاد عدد هذه النقاط، كان انتقال الحرارة أفضل.
بالإضافة إلى ذلك، خاصةً بالنسبة للبوتقات ذات القاع الرقيق نسبيًا، يجب عدم تجاهل تفاوتات التصنيع. يمكن حتى للعيوب الصغيرة في السطح المستوي لقاع البوتقة أن تقلل إلى حد كبير من قابلية تكرار نتائج القياس لمثل هذه البوتقات.
هناك نهج جديد لمواجهة هذه التحديات يتمثل في إضفاء شكل مقعر على قاع البوتقة، أي إنشاء تقعر داخلي متعمد لقاع البوتقة الخارجي، كما هو متحقق في بوتقة كونكافوس المصنوعة من الألومنيوم (الشكل 3). عند وضعه على جهاز استشعار مسطح، ينتج عن ذلك منطقة تلامس متساوية على شكل حلقة ويحسن بشكل كبير من قابلية التكرار.
صُممت بوتقة Concavus® خصيصًا لمستشعر كورونا لجهاز DSC 214 Polyma، ولكن يمكن استخدامها أيضًا في أي جهاز آخر من أجهزة NETZSCH DSC أو STA المزودة بحامل عينة DSC.
بارتفاع بضعة ملليمترات فقط، تكون بوتقات DSC مسطحة تمامًا بشكل عام. ولذلك، لا يمكن فقدان سوى كمية صغيرة من الحرارة في جو الغاز المحيط، ويكون التأثير على حساسية النظام إيجابيًا في المقابل.
الملخص
الألومنيوم هو المادة البوتقة المثالية لمعظم مهام القياس في نطاق درجات الحرارة حتى 610 درجة مئوية لأن تكاليف مادته وإنتاجه منخفضة نسبيًا بينما لا تزال خصائصه المادية جيدة جدًا.
يضع الشكل الخاص لبوتقة كونكافوس مع مستشعر كورونا معايير جديدة في هذا المجال.
كقاعدة عامة، من المهم دائمًا اختيار مواد البوتقة التي لن تتفاعل مع العينة. كلما كان ذلك ممكنًا، يجب تفضيل البوتقات المعدنية لفحوصات DSC نظرًا لخصائصها الفائقة في نقل الحرارة.