Introduktion
Platformskonceptet hos NETZSCH-Gerätebau GmbH
Vores platformskoncept består i øjeblikket af tre grundlæggende instrumenter (DSC, STA og TMA), som hver især findes i to forskellige modeller (F1 og F3 ). Alle elektroniske komponenter, der er nødvendige for at betjene disse instrumenter, er sammen med gasforsyningsenheden indeholdt i et enkelt, integreret hus. Ovnene og prøveholderne kan hurtigt og nemt udskiftes af operatøren. Denne modulopbygning giver ikke kun instrumenterne et ensartet udseende, men giver også maksimal fleksibilitet til at tilpasse sig skiftende analysesituationer og til at lette implementeringen af eventuelle nødvendige ændringer i instrumentets driftsbetingelser. Figur 1 viser de forskellige instrumentversioner, der indgår i platformskonceptet.
En stålovn er tilgængelig for alle tre instrumenttyper. Det gør det muligt at dække et temperaturområde på -150 °C til 1000 °C ved prøven. Denne applikationsnote omhandler måleresultater, der er typiske i dette temperaturområde for polymerer (termoplast, elastomerer) og krystallinske organiske stoffer som f.eks. sukker.
STA 449 F1 Jupiter® med stålovn
Ud over de ovennævnte instrumentvariationer kan der leveres en række tilføjelser til simultan termisk analyse (STA), f.eks. koblingsmetoder, PulseTA®. eller vanddampgeneratoren. Der findes i øjeblikket ni ovnsystemer til STA 449, som dækker et temperaturområde fra -150 °C til 2400 °C ved prøven (figur 2).
Målebetingelser
Måleresultaterne for en polymerfilm lavet af polyethylenterphthalat (PET), to elastomerprøver og sorbitol - et C6-sukker - præsenteres i denne applikationsnote. Der blev anvendt standardbetingelser for alle undersøgelser; disse er opsummeret i tabel 1.
Tabel 1: Målebetingelser
| Elastomer | PET | Sorbitol | |
|---|---|---|---|
| Måleinstrument | STA 449 F3 Jupiter® | STA 449 F3 Jupiter® | STA 449 F3 Jupiter® |
| Ovntype | Stålovn | Stålovn | Stålovn |
| Prøveholder | Ottekantet (ASC) | Ottekantet (ASC) | Ottekantet (ASC) |
| Termoelement | P | P | P |
| Kontrol af prøvetemperatur (STC) | Fra | Fra | Fra |
| Køleparametre | GN2, auto | GN2, auto | GN2, auto |
| Masse af prøve | 13.493 mg; 12.292 mg | 4.945 mg | 6.724 mg |
| Materiale til digel | Platin | Platin | Platin |
| Atmosfære | Helium | Helium | Helium |
| Gasstrømningshastighed | 70 ml/min | 70 ml/min | 70 ml/min |
| Opvarmnings-/afkølingshastighed | 10 K/min | 10 K/min | 10 K/min |
Resultater af målinger
For at kunne karakterisere elastomerer er det nødvendigt at udføre analyserne i et område under stuetemperatur. Da elastomerer ikke har nogen krystallinske dele, findes der ikke noget Smeltetemperaturer og entalpierEt stofs fusionsenthalpi, også kendt som latent varme, er et mål for den energitilførsel, typisk varme, der er nødvendig for at omdanne et stof fra fast til flydende tilstand. Et stofs smeltepunkt er den temperatur, hvor det skifter tilstand fra fast (krystallinsk) til flydende (isotropisk smelte).smeltepunkt eller smelteområde for disse stoffer. Elastomerer er rent amorfe faste stoffer, dvs. stoffer, der er størknet på en ustruktureret måde. Ved hjælp af DSC kan man dog få vigtige oplysninger om materialeegenskaberne - f.eks. ved at bestemme glasovergangstemperaturen. Ved denne temperatur ændrer prøvens mekaniske egenskaber sig dramatisk. Ved temperaturer under glasovergangstemperaturen (Tg) er et amorft materiale skørt og skrøbeligt; over glasovergangstemperaturen er det derimod elastisk og fleksibelt. Denne ændring i mekaniske egenskaber kan måles meget nemt med mekaniske testmetoder som DIL, TMA eller DMA. Da en prøves specifikke varme også ændrer sig under denne ændring af de mekaniske egenskaber, kan en kalorimetrisk metode som DSC (differential scanning calorimetry) også bruges til at bestemme glasovergangstemperaturen. I DSC-måleresultaterne kan glasovergangstemperaturen observeres som et trin; trinhøjden er en direkte indikation af ændringen i specifik varme, i enheder af J/gK.
I undersøgelsen af polyisopren (NR, naturgummi) forventes glasovergangen at ske ved en temperatur på ca. -50 °C. Denne glasovergangstemperatur kan dog variere afhængigt af gummiblandingen og valget af tilsætningsstoffer som f.eks. blødgørere og kan derfor justeres til de tilsvarende anvendelseskrav. Figur 3 viser resultaterne af bestemmelsen af glasovergangstemperaturen for to elastomerprøver.
For halvkrystallinske materialer findes der amorfe områder ved siden af de krystallinske (domæner). De amorfe områder karakteriseres ved hjælp af glasovergangstemperaturen som beskrevet ovenfor, mens de krystallinske områder karakteriseres ved hjælp af deres smelteadfærd. Da mekaniske og termiske behandlingstrin kan ændre forholdet mellem den amorfe og den krystallinske region, involverer DSC-undersøgelser normalt en sammenligning af to opvarmningssegmenter. Mellem disse to opvarmningskørsler gennemgår prøverne lineær afkøling i DSC-instrumentet ved hjælp af et kontrolleret afkølingsprogram for at undgå at udsætte materialet for nye spændingstilstande. Figur 4 viser sammenligningen af disse to opvarmningssegmenter (rød:1. opvarmning, grøn:2. opvarmning) sammen med afkølingssegmentet (blå), der blev udført mellem de to opvarmningskørsler.
Det ses tydeligt, at den gennemsigtige PET-film stort set var amorf før den første opvarmning, og at den var kendetegnet ved en højere krystallinsk andel efter den kontrollerede afkøling, som fandt sted med en hastighed på 10 K/min.
En typisk temperatur-tidsprofil for en sådan cyklisk behandling af en prøve er vist i figur 5, der er anvendt til undersøgelse af sorbitol.
Måleresultaterne for sorbitol er vist i figur 6. Stoffet var fuldt krystallinsk før undersøgelsen, og derfor blev der ikke observeret nogen glasovergang under den første opvarmning (rød) i området omkring 0 °C. Prøvesmeltning blev registreret ved en spidstemperatur på 101 °C. Under afkølingen af den flydende sorbitolprøve (blå) blev der ikke observeret nogen KrystalliseringKrystallisering er den fysiske hærdningsproces under dannelse og vækst af krystaller. Under denne proces frigives krystallisationsvarme.krystallisering; i stedet størknede prøven amorft, som det fremgår af registreringen af glasovergangen ved -3,6 °C (midtpunkt). Under den anden opvarmning (grøn) blev glasovergangen registreret igen (midtpunkt: -0,3 °C); på det tidspunkt var prøven fuldstændig amorf og udviste således ingen Smeltetemperaturer og entalpierEt stofs fusionsenthalpi, også kendt som latent varme, er et mål for den energitilførsel, typisk varme, der er nødvendig for at omdanne et stof fra fast til flydende tilstand. Et stofs smeltepunkt er den temperatur, hvor det skifter tilstand fra fast (krystallinsk) til flydende (isotropisk smelte).smeltning. Den cykliske temperaturbehandling ved opvarmnings- og afkølingshastigheder på 10 K/min fik prøven til at skifte fra en fuldstændig krystallinsk til en fuldstændig amorf tilstand.
Sammenfatning
Måleeksemplerne viser, at selv en STA - som primært er designet til højtemperaturområdet - er i stand til at analysere prøver, som en DSC 204 F1 Phoenix® eller en DSC 200 F3 Maia normalt ville blive brugt til, blot ved at skifte ovn.