Introduktion
Kvaliteten af DSC-resultaterne afgøres ofte allerede i fasen med prøveforberedelse og valg af måleparametre. Den valgte digel spiller en vigtig rolle her. Variabler som diglens materiale, form, volumen og masse samt lågets status (ja/nej/pierced/closed) er vigtige indflydelsesrige faktorer. De to første af disse - diglens materiale og form - vil blive diskuteret mere detaljeret i denne artikel.
Til DSC-undersøgelser fungerer diglen primært som en beholder til prøven og referencematerialet og skal - ligesom en gryde på et komfur - beskytte sensoren mod forurening og fordele varmen til prøven eller referencematerialet så jævnt som muligt uden at reagere med det. Derudover skal diglen give god varmeoverførsel til sensoren, så selv den mindste ændring i prøven kan registreres. Afgørende faktorer her er digelmaterialets Termisk ledningsevneVarmeledningsevne (λ med enheden W/(m-K)) beskriver transporten af energi - i form af varme - gennem et masselegeme som følge af en temperaturgradient (se fig. 1). Ifølge termodynamikkens anden lov strømmer varmen altid i retning af den laveste temperatur.varmeledningsevne og graden af kontakt mellem digelbunden og sensoren.
Høj termisk ledningsevne giver god varmetransport
Et materiales Termisk ledningsevneVarmeledningsevne (λ med enheden W/(m-K)) beskriver transporten af energi - i form af varme - gennem et masselegeme som følge af en temperaturgradient (se fig. 1). Ifølge termodynamikkens anden lov strømmer varmen altid i retning af den laveste temperatur.varmeledningsevne (symbol: λ) beskriver transporten af energi - i form af varme - gennem et legeme baseret på en temperaturgradient. Jo højere Termisk ledningsevneVarmeledningsevne (λ med enheden W/(m-K)) beskriver transporten af energi - i form af varme - gennem et masselegeme som følge af en temperaturgradient (se fig. 1). Ifølge termodynamikkens anden lov strømmer varmen altid i retning af den laveste temperatur.varmeledningsevne, jo større energimængde transporteres, og jo mere effektiv er varmeudvekslingen.
Varmeledningsevnen for forskellige digelmaterialer er opsummeret i tabellen. 1. Den bekræfter, at metaller har en højere λ-værdi end f.eks. keramik (aluminiumoxid) og derfor er bedre varmeledere. Aluminiums Termisk ledningsevneVarmeledningsevne (λ med enheden W/(m-K)) beskriver transporten af energi - i form af varme - gennem et masselegeme som følge af en temperaturgradient (se fig. 1). Ifølge termodynamikkens anden lov strømmer varmen altid i retning af den laveste temperatur.varmeledningsevne på 237 W/(m-K) er højere end platins og langt højere end aluminiumsoxid, men stadig betydeligt lavere end guld, kobber og sølv.
Tabel 1: Termofysiske data for nogle typiske smeltedigelmaterialer ved RT
Materiale | (W/(m-K)) | (mm²/s) | (J/(g-K)) |
|---|---|---|---|
| Aluminium | 237(1) | 98.8(3) | 0.9(1) |
| Platin | 71.6(1) | 25(3) | 0.13(1) |
| Al2O3 (α) | 28(3) | 10.2(2) | 0.76(2) |
| Kobber | 404(1) | 117(3) | 0.39(1) |
| Sølv | 429(1) | 173(3) | 0.23(1) |
| Guld | 317(1) | 127.2(3) | 0.13(1) |
Figur 1 illustrerer de ovennævnte forskelle ved hjælp af tre forskellige målinger af indium i aluminium-, Al2O3- og platin/rhodiumdigler. Med samme prøvemasse og ellers identiske forhold viste målingen i aluminiumdiglen (rød kurve) den største top efterfulgt af den i Pt/Rh-diglen (blå). Den stiplede sorte kurve udviser den mindste top og repræsenterer målingen i Al2O3-diglen. Sølv og guld danner legeringer, når de kommer i kontakt med indium, og blev derfor ikke medtaget i denne testserie.
Metallernes gode varmeoverførselsegenskaber afspejles ikke kun i de tilsvarende tophøjder, men også i den såkaldte tidskonstant. Den er defineret som den tid, et målesignal skal bruge på at falde fra toppen af sit peak til 1/e af intensiteten (svarer til et fald på ca. 63 %). Selv uden præcise numeriske data kan man se i figur 1, at hældningen efter smeltetoppen falder meget mindre skarpt for målingen udført i Al2O3-diglen end for dem, der blev udført i metaldiglerne. Jo smallere en top er (f.eks. jo kortere tidskonstanten er), jo bedre adskilles naboeffekterne, og jo bedre er opløsningen derfor. Centrale faktorer her er den termiske diffusivitet (symbol: a), som angiver, hvor hurtigt et materiale reagerer på en temperaturændring, og den termiske masse (m-Specifik varmekapacitet (cp)Varmekapacitet er en materialespecifik fysisk størrelse, der bestemmes af den mængde varme, der tilføres prøven, divideret med den resulterende temperaturstigning. Den specifikke varmekapacitet er relateret til en masseenhed af prøven.cp) (for a og Specifik varmekapacitet (cp)Varmekapacitet er en materialespecifik fysisk størrelse, der bestemmes af den mængde varme, der tilføres prøven, divideret med den resulterende temperaturstigning. Den specifikke varmekapacitet er relateret til en masseenhed af prøven.cp, se også tabel 1).
Figur 2 viser en rigtig prøvemåling på PET, udført i aluminiumdigler (her i Concavus® digler, blå kurve) og i Al2O3 digler (rød stiplet linje). DSC, der afspejler testen i aluminiumdigler, er her bedre end målingen i Al2O3-digler både med hensyn til topintensitet (højere) og topbredde (smallere).
Det faktum, at aluminium er betydeligt billigere end ædelmetallerne guld og sølv, og at det heller ikke har en katalytisk effekt på organiske materialer, som kobber ville have (buzz phrase: oxidativ stabilitet af kabelkapper i kobberdigler), har gjort aluminium til standarddigelmateriale for polymerer, mange lægemidler og fødevarer. Smeltepunktet for rent aluminium er 660,3 °C, så temperaturområdet for brug af Al-digler er begrænset til maksimalt 610 °C.
Crucible Shape - Form følger funktion
En anden faktor i optimeringen af varmeoverførslen er god kontakt mellem digelbunden og sensoren. Teoretisk set ville en perfekt plan digelbund placeret på en perfekt plan sensor være den ideelle kombination. Man skal dog være opmærksom på, at selv metaloverflader, der makroskopisk set er plane, består af mikroskopiske forhøjninger og fordybninger, der kan tilskrives overfladeruhed - så hvor de plane overflader på en digel og en sensor mødes, er der kun kontakt i visse punkter. Jo flere sådanne punkter der er, jo bedre bliver varmeoverførslen.
Desuden må man ikke se bort fra fremstillingstolerancer, især ikke for digler med en relativt tynd bund. Selv small afvigelser i den plane overflade på en digelbund kan reducere reproducerbarheden af måleresultaterne for sådanne digler betydeligt.
En ny metode til at løse disse udfordringer er at give digelbunden en konkav form, dvs. bevidst at skabe en indadgående konkavitet i den ydre digelbund, som det er gjort i Concavus® diglen af aluminium (figur 3). Når den placeres på en flad sensor, resulterer det i en jævn, ringformet kontaktzone og forbedrer reproducerbarheden betydeligt.
Concavus® diglen er designet specielt til coronasensoren i DSC 214 Polyma, men den kan også bruges i ethvert andet NETZSCH DSC- eller STA-instrument med en DSC-prøveholder.
Med en højde på kun et par millimeter er DSC-digler generelt ret flade. Derfor kan kun en small mængde varme gå tabt til den omgivende gasatmosfære, og effekten på systemets følsomhed er tilsvarende positiv.
Sammenfatning
Aluminium er det ideelle digelmateriale til de fleste måleopgaver i temperaturområdet op til 610 °C, da materiale- og produktionsomkostningerne er relativt lave, mens materialeegenskaberne stadig er meget gode.
Den særlige form på Concavus® diglen i kombination med Corona-sensoren sætter nye standarder på dette område.
Som en generel regel er det vigtigt altid at select digelmaterialer, som ikke interagerer med prøven. Når det er muligt, bør metaldigler foretrækkes til DSC-undersøgelser på grund af deres overlegne varmeoverførselsegenskaber.