Úvod
Koncept platformy na NETZSCH-Gerätebau GmbH
Naše koncepce platformy se v současné době skládá ze tří základních přístrojů (DSC, STA a TMA), z nichž každý se dodává ve dvou různých modelech (F1 a F3 ). Všechny elektronické komponenty potřebné k provozu těchto přístrojů spolu s jednotkou pro přívod plynu jsou obsaženy v jediném integračním pouzdře. Pece a držáky vzorků může obsluha snadno a rychle vyměňovat. Toto modulární uspořádání nejenže propůjčuje přístrojům jednotný vzhled, ale také umožňuje maximální flexibilitu při přizpůsobování měnícím se analytickým situacím a usnadňuje provádění všech následných úprav nezbytných v provozních podmínkách přístroje. Obrázek 1 znázorňuje různé verze přístrojů, které tvoří koncepci platformy.
Pro všechny tři typy přístrojů je k dispozici ocelová pec. To umožňuje pokrýt teplotní rozsah od -150 °C do 1 000 °C u vzorku. Tato aplikační poznámka se zabývá výsledky měření typickými pro tento teplotní rozsah pro polymery (termoplasty, elastomery) a krystalické organické látky, jako je cukr.
STA 449 F1 Jupiter® s ocelářskou pecí
Kromě výše uvedených variant přístrojů lze pro simultánní termickou analýzu (STA) dodat řadu doplňků, například spojovací metody, PulseTA® nebo generátor vodní páry. V současné době je pro přístroj STA 449 k dispozici devět systémů pecí, které pokrývají teplotní rozsah od -150 °C do 2400 °C na vzorku (obrázek 2).
Podmínky měření
V této aplikační poznámce jsou uvedeny výsledky měření pro polymerní fólii z polyethylenterftalátu (PET), dva vzorky elastomerů a sorbitol - cukr C6. Při všech zkouškách byly použity standardní podmínky, které jsou shrnuty v tabulce 1.
Tabulka 1: Podmínky měření
| Elastomer | PET | Sorbitol | |
|---|---|---|---|
| Měřicí přístroj | STA 449 F3 Jupiter® | STA 449 F3 Jupiter® | STA 449 F3 Jupiter® |
| Typ pece | Ocelová pec | Ocelová pec | Ocelová pec |
| Nosič vzorků | Osmihranný (ASC) | Osmiúhelník (ASC) | Osmiúhelník (ASC) |
| Termočlánek | P | P | P |
| Kontrola teploty vzorku (STC) | Vypnuto | Vypnuto | Vypnuto |
| Parametry chlazení | GN2, auto | GN2, auto | GN2, auto |
| Hmotnost vzorku | 13.493 mg; 12.292 mg | 4.945 mg | 6.724 mg |
| Materiál kelímku | Platina | Platina | Platina |
| Atmosféra | Helium | Helium | Helium |
| Průtok plynu | 70 ml/min | 70 ml/min | 70 ml/min |
| Rychlost ohřevu/chlazení | 10 K/min | 10 K/min | 10 K/min |
Výsledky měření
Pro charakterizaci elastomerů je nutné provádět analýzy vrozsahu pod pokojovou teplotou. Protože elastomery nemají žádné krystalické části, neexistuje pro tyto látky žádný bod tání ani rozsah tání. Elastomery jsou čistě amorfní pevné látky, tj. takové, které ztuhly nestrukturovaným způsobem. Pomocí DSC však lze získat důležité informace o vlastnostech materiálu - například stanovením teploty skelného přechodu. Při této teplotě se mechanické vlastnosti vzorku dramaticky mění. Při teplotách nižších než teplota skelného přechodu (Tg) je amorfní materiál křehký a lámavý; nad teplotou skelného přechodu je naopak pružný a ohebný. Tuto změnu mechanických vlastností lze velmi snadno měřit pomocí mechanických zkušebních metod, jako jsou DIL, TMA nebo DMA. Protože se při této změně mechanických vlastností mění také měrné teplo vzorku, lze ke stanovení teploty skelného přechodu použít také kalorickou metodu, jako je diferenční skenovací kalorimetrie (DSC). Ve výsledcích měření DSC lze teplotu skelného přechodu pozorovat jako krok; výška kroku je přímým ukazatelem změny měrného tepla v jednotkách J/gK.
Při šetření polyisoprenu (NR, přírodní kaučuk) se očekává, že ke skelnému přechodu dojde při teplotě přibližně -50 °C. Tato teplota skelného přechodu se však může lišit v závislosti na směsi kaučuku a výběru přísad, jako jsou změkčovadla, a může být proto upravena podle příslušných požadavků na použití. Na obrázku 3 jsou uvedeny výsledky stanovení teploty skelného přechodu pro dva vzorky elastomerů.
U semikrystalických materiálů existují vedle krystalických oblastí (domén) i oblasti amorfní. Amorfní oblasti jsou charakterizovány pomocí teploty skelného přechodu, jak je popsáno výše, zatímco krystalické oblasti jsou charakterizovány svým chováním při tání. Vzhledem k tomu, že mechanické a tepelné zpracování může změnit poměr amorfní a krystalické oblasti, zahrnují DSC vyšetření obvykle porovnání dvou segmentů ohřevu. Mezi těmito dvěma zahřívacími úseky se vzorky v přístroji DSC lineárně ochlazují pomocí řízeného chladicího programu, aby se zabránilo vystavení materiálu novým napěťovým stavům. Obrázek 4 znázorňuje srovnání těchto dvou segmentů ohřevu (červeně:1. ohřev, zeleně:2. ohřev) spolu se segmentem chlazení (modře), který byl proveden mezi oběma ohřevy.
Je zřetelně vidět, že transparentní PET film byl před prvním ohřevem převážně amorfní a že po řízeném ochlazení, které probíhalo rychlostí 10 K/min, se vyznačoval vyšším podílem krystalů.
Typický teplotně-časový profil pro takové cyklické zpracování vzorku je znázorněn na obrázku 5, který byl použit pro zkoumání sorbitolu.
Výsledky měření pro sorbitol jsou uvedeny na obrázku 6. Látka byla před zkoumáním plně krystalická, a proto nebyl při prvním zahřívání v rozsahu kolem 0 °C pozorován žádný skelný přechod (červená barva). Tání vzorku bylo zjištěno při vrcholové teplotě 101 °C. Během ochlazování vzorku kapalného sorbitolu (modrá barva) nebyla pozorována žádná KrystalizaceKrystalizace je fyzikální proces tuhnutí při vzniku a růstu krystalů. Při tomto procesu se uvolňuje krystalizační teplo.krystalizace; místo toho vzorek amorfně tuhnul, jak naznačuje detekce skelného přechodu při -3,6 °C (střední bod). Při druhém zahřívání (zeleně) byl opět detekován skelný přechod (střední bod: -0,3 °C); v té době byl vzorek zcela amorfní, a nevykazoval tedy žádné tání. Cyklická teplotní úprava při rychlostech ohřevu a ochlazování 10 K/min způsobila, že vzorek přešel ze zcela krystalického do zcela amorfního stavu.
Souhrn
Příklady měření ukazují, že i STA, která je určena především pro vysokoteplotní oblast, je schopna analyzovat vzorky, pro které je DSC 204 F1 Phoenix® nebo DSC 200 F3 Maia, a to pouhou změnou pece.