مقدمة
مفهوم المنصة في NETZSCH-Gerätebau GmbH
يتألف مفهوم منصتنا حاليًا من ثلاث أدوات أساسية (DSC وSTA وTMA)، ويأتي كل منها في نموذجين مختلفين (F1 و F3 ). وتوجد جميع المكونات الإلكترونية اللازمة لتشغيل هذه الأدوات إلى جانب وحدة إمداد الغاز في مبيت واحد متكامل. يمكن للمشغل تبديل الأفران وحوامل العينات بسرعة وسهولة. هذا الإعداد المعياري لا يضفي مظهرًا موحدًا على الأدوات فحسب، بل يتيح أيضًا أقصى قدر من المرونة للتكيف مع المواقف التحليلية المتغيرة ولتسهيل تنفيذ أي تعديلات لاحقة ضرورية في ظروف تشغيل الأدوات. يصور الشكل 1 إصدارات الأدوات المختلفة التي يتألف منها مفهوم المنصة.
يتوفر فرن فولاذي لجميع أنواع الأدوات الثلاثة. وهذا يسمح بتغطية نطاق درجة حرارة من -150 درجة مئوية إلى 1000 درجة مئوية في العينة. ستناقش هذه المذكرة التطبيقية نتائج القياس النموذجية في نطاق درجات الحرارة هذا للبوليمرات (اللدائن الحرارية واللدائن المرنة) والمواد العضوية البلورية، مثل السكر.
STA 449 F1 جوبيتر STA 449 F1 مع فرن الصلب
بالإضافة إلى اختلافات الأداة المذكورة أعلاه، يمكن توفير عدد من الإضافات للتحليل الحراري المتزامن (STA)، مثل طرق الاقتران أو النبضات أو مولد بخار الماء. يوجد حاليًا تسعة أنظمة أفران متاحة لجهاز STA 449، تغطي نطاق درجة حرارة يتراوح بين -150 درجة مئوية إلى 2400 درجة مئوية عند العينة (الشكل 2).
شروط القياس
يتم عرض نتائج القياس لفيلم بوليمر مصنوع من البولي إيثيلين تيرفثالات (PET)، وعينتين من المطاط الصناعي والسوربيتول - سكر C6 - في هذه المذكرة التطبيقية. تم استخدام الشروط القياسية لجميع الفحوصات؛ وهي ملخصة في الجدول 1.
الجدول 1: شروط القياس
| المطاط الصناعي | البولي إيثيلين تيريفثالات | السوربيتول | |
|---|---|---|---|
| أداة القياس | STA 449 F3 جوبيتر STA 449 F3 Jupiter® | STA 449 F3 جوبيتر | STA 449 F3 جوبيتر |
| نوع الفرن | فرن الصلب | فرن الصلب | فرن الصلب |
| حامل العينة | مثمن (ASC) | مثمن (ASC) | مثمن (ASC) |
| المزدوجة الحرارية | P | P | P |
| التحكم في درجة حرارة العينة (STC) | إيقاف التشغيل | إيقاف التشغيل | إيقاف التشغيل |
| معلمات التبريد | GN2، تلقائي | GN2، تلقائي | GN2، تلقائي |
| كتلة العينة | 13.493 مجم 12.292 مجم | 4.945 مجم | 6.724 مجم |
| مادة البوتقة | البلاتين | البلاتين | البلاتين |
| الغلاف الجوي | الهيليوم | هيليوم | الهيليوم |
| معدل تدفق الغاز | 70 مل/دقيقة | 70 مل/دقيقة | 70 مل/دقيقة |
| معدل التسخين/التبريد | 10 كلفن/دقيقة | 10 كلفن/دقيقة | 10 كلفن/دقيقة |
نتائج القياس
لتوصيف اللدائن المرنة، من الضروري إجراء التحاليل في نطاق أقل من درجة حرارة الغرفة. نظرًا لعدم وجود أي أجزاء بلورية في الإيلاستومرات، لا توجد نقطة انصهار أو نطاق انصهار لهذه المواد. الإيلاستومرات هي مواد صلبة غير متبلورة بحتة؛ أي تلك التي تصلبت بطريقة غير منظمة. ومع ذلك، يمكن عن طريق DSC الحصول على معلومات مهمة حول خواص المواد - على سبيل المثال، من خلال تحديد درجة حرارة الانتقال الزجاجي. عند درجة الحرارة هذه، تتغير الخواص الميكانيكية للعينة بشكل كبير. عند درجات حرارة أقل من درجة حرارة التحول الزجاجي (Tg)، تكون المادة غير المتبلورة هشة وهشة؛ أما فوق درجة حرارة التحول الزجاجي، من ناحية أخرى، تكون مرنة ومرنة. يمكن قياس هذا التغير في الخاصية الميكانيكية بسهولة شديدة باستخدام طرق الاختبار الميكانيكية مثل DIL أو TMA أو DMA. ونظرًا لأن الحرارة النوعية للعينة تتغير أيضًا أثناء هذا التغير في الخاصية الميكانيكية، يمكن أيضًا استخدام طريقة السعرات الحرارية مثل قياس المسعر بالمسح التفاضلي (DSC) لتحديد درجة حرارة الانتقال الزجاجي. في نتائج قياس DSC، يمكن ملاحظة درجة حرارة الانتقال الزجاجي كخطوة؛ ويعد ارتفاع الخطوة مؤشرًا مباشرًا على التغير في الحرارة النوعية، بوحدة J/gK.
في دراسة البولي إيزوبرين (NR، المطاط الطبيعي)، من المتوقع أن يحدث الانتقال الزجاجي عند درجة حرارة -50 درجة مئوية تقريباً. ومع ذلك، يمكن أن تختلف درجة حرارة الانتقال الزجاجي هذه اعتماداً على خليط المطاط واختيار المواد المضافة مثل الملدنات، وبالتالي يمكن تعديلها وفقاً لمتطلبات التطبيق المقابلة. يوضح الشكل 3 نتائج تحديد درجة حرارة الانتقال الزجاجي لعينتين من المطاط الصناعي.
بالنسبة للمواد شبه البلورية، توجد مناطق غير متبلورة إلى جانب المناطق البلورية (المجالات). وتتميز المناطق غير المتبلورة عن طريق درجة حرارة الانتقال الزجاجي كما هو موضح أعلاه، بينما تتميز المناطق البلورية بسلوكها في الانصهار. ونظرًا لأن خطوات المعالجة الميكانيكية والحرارية يمكن أن تغير نسبة المنطقة غير المتبلورة إلى المنطقة البلورية، عادةً ما تتضمن تحقيقات DSC مقارنة جزأين من التسخين. وبين مرحلتي التسخين هاتين، تخضع العينات لتبريد خطي في جهاز DSC عن طريق برنامج تبريد متحكم به لتجنب تعريض المادة لأي حالات إجهاد جديدة. يوضح الشكل 4 المقارنة بين هذين الجزأين من التسخين (الأحمر: التسخينالأول، والأخضر: التسخينالثاني )، إلى جانب جزء التبريد (الأزرق) الذي تم إجراؤه بين جزأي التسخين.
يمكن أن نرى بوضوح أن فيلم PET الشفاف كان غير متبلور إلى حد كبير قبل التسخين الأول وأنه تميز بنسبة بلورية أعلى بعد التبريد المتحكم فيه الذي تم بمعدل 10 كلفن/الدقيقة.
ويوضح الشكل 5 في الشكل 5 صورة نموذجية لملف زمني لدرجات الحرارة لمثل هذه المعالجة الدورية للعينة المطبقة على السوربيتول.
وترد نتائج قياس السوربيتول في الشكل 6. كانت المادة متبلورة بالكامل قبل الفحص، ولهذا السبب لم يلاحظ أي انتقال زجاجي أثناء التسخين الأول (الأحمر) في نطاق حوالي 0 درجة مئوية. تم اكتشاف ذوبان العينة عند درجة حرارة قصوى تبلغ 101 درجة مئوية. أثناء تبريد عينة السوربيتول السائل (باللون الأزرق) لم يُلاحظ أي تبلور؛ وبدلًا من ذلك، تصلبت العينة بشكل غير متبلور، كما هو موضح في اكتشاف الانتقال الزجاجي عند -3.6 درجة مئوية (نقطة المنتصف). خلال التسخين الثاني (باللون الأخضر)، تم اكتشاف الانتقال الزجاجي مرة أخرى (نقطة المنتصف: -0,3 درجة مئوية)؛ وفي ذلك الوقت، كانت العينة غير متبلورة تمامًا وبالتالي لم تظهر أي انصهار. تسببت المعالجة الدورية لدرجات الحرارة بمعدلات تسخين وتبريد 10 كلفن/دقيقة في تغير العينة من الحالة البلورية تمامًا إلى الحالة غير المتبلورة تمامًا.
الملخص
توضح أمثلة القياس أنه حتى جهاز STA - المصمم في المقام الأول لنطاق درجات الحرارة العالية - قادر على تحليل العينات التي عادةً ما يستخدم فيها DSC 204 F1 Phoenix® أو DSC 200 F3 Maia، وذلك ببساطة عن طريق تغيير الفرن.