Въведение
Концепцията за платформата в NETZSCH-Gerätebau GmbH
Нашата концепция за платформа понастоящем се състои от три основни инструмента (DSC, STA и TMA), всеки от които се предлага в два различни модела (F1 и F3 ). Всички електронни компоненти, необходими за работата на тези инструменти, заедно с устройството за подаване на газ, се съдържат в един интегриран корпус. Пещите и държачите за проби могат бързо и лесно да се сменят от оператора. Тази модулна конфигурация не само придава еднакъв външен вид на инструментите, но също така позволява максимална гъвкавост за приспособяване към променящите се аналитични ситуации и за улесняване на изпълнението на всички последващи промени, необходими в условията на работа на инструментите. На фигура 1 са представени различните версии на инструментите, съставляващи концепцията на платформата.
И за трите типа инструменти се предлага стоманена пещ. Това позволява да се покрие температурен диапазон от -150°C до 1000°C на пробата. В тази приложна бележка ще бъдат разгледани резултати от измервания, типични за този температурен диапазон за полимери (термопласти, еластомери) и кристални органични вещества, като например захар.
STA 449 F1 Jupiter® с пещ за стомана
В допълнение към горепосочените варианти на уреда могат да бъдат доставени редица допълнителни устройства за едновременен термичен анализ (STA), като например методи за свързване, PulseTA® или генератор на водни пари. Понастоящем за STA 449 се предлагат девет системи пещи, които покриват температурния диапазон от -150°C до 2400°C на пробата (фигура 2).
Условия за измерване
В тази приложна бележка са представени резултатите от измерванията на полимерен филм, изработен от полиетилен терфталат (PET), два еластомерни образеца и сорбитол - захар С6. За всички изследвания са използвани стандартни условия, които са обобщени в таблица 1.
Таблица 1: Условия за измерване
| Еластомер | PET | Сорбитол | |
|---|---|---|---|
| Измервателен инструмент | STA 449 F3 Jupiter® | STA 449 F3 Jupiter® | STA 449 F3 Jupiter® |
| Тип на пещта | Стоманена пещ | Стоманена пещ | Стоманена пещ |
| Носител на пробата | Осмоъгълен (ASC) | Осмоъгълен (ASC) | Осмоъгълен (ASC) |
| Термодвойка | P | P | P |
| Контрол на температурата на пробата (STC) | Изключено | Изключено | Изкл |
| Параметри на охлаждане | GN2, автоматично | GN2, автоматично | GN2, автоматично |
| Маса на пробата | 13.493 mg; 12.292 mg | 4.945 mg | 6.724 mg |
| Материал на тигела | Платина | Платина | Платина |
| Атмосфера | Хелий | Хелий | Хелий |
| Дебит на газа | 70 ml/min | 70 ml/min | 70 ml/min |
| Скорост на нагряване/охлаждане | 10 K/min | 10 K/min | 10 K/min |
Резултати от измерването
За да се характеризират еластомерите, е необходимо анализите да се извършват в диапазон под стайна температура. Тъй като еластомерите нямат кристални части, за тези вещества не съществува точка на топене или диапазон на топене. Еластомерите са чисто аморфни твърди вещества, т.е. такива, които са се втвърдили по неструктуриран начин. С помощта на DSC обаче може да се получи важна информация за свойствата на материала - например чрез определяне на температурата на встъкляване. При тази температура механичните свойства на пробата се променят драстично. При температури под температурата на встъкляване (Tg) аморфният материал е крехък и чуплив; от друга страна, при температури над температурата на встъкляване той е еластичен и гъвкав. Тази промяна на механичните свойства може да се измери много лесно с методите за механично изпитване, като DIL, TMA или DMA. Тъй като специфичната топлина на образеца също се променя по време на тази промяна на механичните свойства, за определяне на температурата на стъклопреход може да се използва и калориен метод като диференциална сканираща калориметрия (DSC). В резултатите от DSC измерванията температурата на стъклопрехода може да се наблюдава като стъпка; височината на стъпката е пряк показател за промяната на специфичната топлина в единици J/gK.
При разследването на полиизопрена (NR, естествен каучук) се очаква стъклопреходът да настъпи при температура приблизително -50°C. Тази температура на встъкляване обаче може да варира в зависимост от каучуковата смес и избора на добавки, като например пластификатори, и следователно може да бъде адаптирана към съответните изисквания за приложение. На фигура 3 са показани резултатите от определянето на температурата на встъкляване за две проби от еластомери.
При полукристалните материали аморфните области съществуват заедно с кристалните (домени). Аморфните области се характеризират с помощта на температурата на встъкляване, както е описано по-горе, докато кристалните области се характеризират с поведението си при топене. Тъй като етапите на механична и термична обработка могат да променят съотношението между аморфната и кристалната област, DSC изследванията обикновено включват сравнение на два сегмента на нагряване. Между тези две нагрявания пробите се подлагат на линейно охлаждане в DSC инструмента чрез контролирана програма за охлаждане, за да се избегне подлагането на материала на нови състояния на напрежение. На фигура 4 е показано сравнението на тези два сегмента на нагряване (червено:първо нагряване, зелено:второ нагряване), заедно със сегмента на охлаждане (синьо), който е извършен между двете нагрявания.
Ясно се вижда, че прозрачното фолио от PET е било до голяма степен аморфно преди първото нагряване и че то се характеризира с по-висок дял на кристали след контролираното охлаждане, което се извършва със скорост 10 K/min.
Типичен профил на температурата и времето за такава циклична обработка на пробата е показан на фигура 5, приложена за изследване на сорбитол.
Резултатите от измерването на сорбитол са представени на фигура 6. Веществото е било напълно кристално преди изследването, поради което при първото нагряване (червено) в диапазона около 0°C не се наблюдава стъкловиден преход. Топенето на образеца е установено при пикова температура от 101°C. По време на охлаждането на пробата от течен сорбитол (синьо) не е наблюдавана кристализация; вместо това пробата се втвърдява аморфно, както показва откриването на стъкловиден преход при -3,6°C (средна точка). По време на второто нагряване (зелено) отново е открит стъкловиден преход (средна точка: -0,3 °C); дотогава пробата е била напълно аморфна и следователно не е показвала топене. Цикличната температурна обработка при скорости на нагряване и охлаждане от 10 K/min е довела до преминаване на образеца от напълно кристално в напълно аморфно състояние.
Резюме
Примерите за измервания показват, че дори STA, който е предназначен предимно за високотемпературния диапазон, е в състояние да анализира проби, за които DSC 204 F1 Phoenix® или DSC 200 F3 Maia, просто чрез смяна на пещта.