Εισαγωγή
Η ποιότητα των αποτελεσμάτων της DSC καθορίζεται συχνά ήδη από την προετοιμασία του δείγματος και την παράμετρο μέτρησης selectφάση ιόντων. Το χωνευτήρι που επιλέγεται παίζει σημαντικό ρόλο εδώ. Μεταβλητές όπως το υλικό, η μορφή, ο όγκος και η μάζα του χωνευτηρίου, καθώς και η κατάσταση του καπακιού (ναι/όχι/διάτρητο/κλειστό), αποτελούν σημαντικούς παράγοντες επιρροής. Οι δύο πρώτοι από αυτούς - το υλικό και η μορφή του χωνευτηρίου - θα συζητηθούν λεπτομερέστερα σε αυτό το άρθρο.
Για τις έρευνες DSC, το χωνευτήρι χρησιμεύει κυρίως ως δοχείο για το δείγμα και το υλικό αναφοράς και - όπως ακριβώς συμβαίνει με ένα δοχείο σε μια κουζίνα - πρέπει να προστατεύει τον αισθητήρα από τη μόλυνση και να κατανέμει τη θερμότητα στο δείγμα ή το υλικό αναφοράς όσο το δυνατόν πιο ομοιόμορφα χωρίς να αντιδρά με αυτό. Επιπλέον, το χωνευτήρι πρέπει να παρέχει καλή μεταφορά θερμότητας στον αισθητήρα, ώστε να είναι δυνατή η ανίχνευση ακόμη και της παραμικρής αλλαγής στο δείγμα. Κρίσιμοι παράγοντες εδώ είναι η θερμική αγωγιμότητα του υλικού του χωνευτηρίου και ο βαθμός επαφής μεταξύ του πυθμένα του χωνευτηρίου και του αισθητήρα.
Η υψηλή θερμική αγωγιμότητα παρέχει καλή μεταφορά θερμότητας
Η θερμική αγωγιμότητα ενός υλικού (σύμβολο: λ) περιγράφει τη μεταφορά ενέργειας - με τη μορφή θερμότητας - μέσα από ένα σώμα με βάση μια βαθμίδα θερμοκρασίας. Όσο υψηλότερη είναι η θερμική αγωγιμότητα, τόσο μεγαλύτερη είναι η ποσότητα της ενέργειας που μεταφέρεται και συνεπώς τόσο πιο αποτελεσματική είναι η ανταλλαγή θερμότητας.
Οι θερμικές αγωγιμότητες διαφόρων υλικών χωνευτηρίων συνοψίζονται στον πίνακα. 1. Επιβεβαιώνεται ότι τα μέταλλα έχουν υψηλότερη τιμή λ από ό,τι, για παράδειγμα, τα κεραμικά (αλουμίνα) και επομένως είναι καλύτεροι αγωγοί θερμότητας. Η θερμική αγωγιμότητα του αλουμινίου, με 237 W/(m-K), είναι υψηλότερη από εκείνη της πλατίνας και πολύ υψηλότερη από εκείνη της αλουμίνας, αλλά εξακολουθεί να είναι σημαντικά χαμηλότερη από εκείνη του χρυσού, του χαλκού και του αργύρου.
Πίνακας1: Θερμοφυσικά δεδομένα ορισμένων τυπικών υλικών χωνευτηρίου σε RT
Υλικό | Θερμική αγωγιμότητα λ (W/(m-K)) | Θερμική διαχυτότητα (mm²/s) | (J/(g-K)) |
|---|---|---|---|
| Αλουμίνιο | 237(1) | 98.8(3) | 0.9(1) |
| Πλατίνα | 71.6(1) | 25(3) | 0.13(1) |
| Al2O3 (α) | 28(3) | 10.2(2) | 0.76(2) |
| Χαλκός | 404(1) | 117(3) | 0.39(1) |
| Ασήμι | 429(1) | 173(3) | 0.23(1) |
| Χρυσός | 317(1) | 127.2(3) | 0.13(1) |
Το Σχήμα 1 απεικονίζει τις προαναφερθείσες διαφορές μέσω τριών διαφορετικών μετρήσεων για το ίνδιο σε χωνευτήρια αλουμινίου, Al2O3 και πλατίνας/ροδίου. Με την ίδια μάζα δείγματος και κατά τα άλλα πανομοιότυπες συνθήκες, η μέτρηση που πραγματοποιήθηκε στο χωνευτήρι αλουμινίου (κόκκινη καμπύλη) παρουσίασε την κορυφή largest και ακολούθησε εκείνη στο χωνευτήρι Pt/Rh (μπλε). Η διακεκομμένη μαύρη καμπύλη παρουσιάζει την κορυφή smallest και αντιπροσωπεύει τη μέτρηση στο χωνευτήρι Al2O3. Ο άργυρος και ο χρυσός δημιουργούν κράματα όταν έρχονται σε επαφή με το ίνδιο και συνεπώς δεν συμπεριλήφθηκαν σε αυτή τη σειρά δοκιμών.
Οι καλές ιδιότητες μεταφοράς θερμότητας των μετάλλων αντικατοπτρίζονται όχι μόνο στα αντίστοιχα ύψη των κορυφών, αλλά και στη λεγόμενη σταθερά χρόνου. Αυτή ορίζεται ως ο χρόνος που χρειάζεται ένα σήμα μέτρησης για να μειωθεί από την κορυφή της κορυφής του στο 1/e της έντασης (αντιστοιχεί σε μείωση περίπου 63 %). Ακόμη και χωρίς ακριβή αριθμητικά δεδομένα, φαίνεται στο σχήμα 1 ότι η κλίση μετά την κορυφή τήξης μειώνεται πολύ λιγότερο απότομα για τις μετρήσεις που πραγματοποιήθηκαν στο χωνευτήρι Al2O3 από ό,τι για εκείνες που πραγματοποιήθηκαν στα μεταλλικά χωνευτήρια. Όσο στενότερη είναι μια κορυφή (π.χ. όσο μικρότερη είναι η σταθερά χρόνου), τόσο καλύτερα διαχωρίζονται τα γειτονικά φαινόμενα και, επομένως, τόσο καλύτερη είναι η ανάλυση. Κομβικοί παράγοντες εδώ είναι η θερμική διαχυτότητα (σύμβολο: α), η οποία δείχνει πόσο γρήγορα αντιδρά ένα υλικό σε μια αλλαγή θερμοκρασίας και η θερμική μάζα (m-Ειδική θερμοχωρητικότητα (cp)Η θερμοχωρητικότητα είναι ένα φυσικό μέγεθος ειδικό για κάθε υλικό, το οποίο καθορίζεται από την ποσότητα θερμότητας που παρέχεται στο δείγμα, διαιρούμενη με την προκύπτουσα αύξηση της θερμοκρασίας. Η ειδική θερμοχωρητικότητα σχετίζεται με τη μονάδα μάζας του δείγματος.cp) (για τα α και Ειδική θερμοχωρητικότητα (cp)Η θερμοχωρητικότητα είναι ένα φυσικό μέγεθος ειδικό για κάθε υλικό, το οποίο καθορίζεται από την ποσότητα θερμότητας που παρέχεται στο δείγμα, διαιρούμενη με την προκύπτουσα αύξηση της θερμοκρασίας. Η ειδική θερμοχωρητικότητα σχετίζεται με τη μονάδα μάζας του δείγματος.cp, βλέπε επίσης τον πίνακα 1).
Στο Σχήμα 2 παρουσιάζεται μια μέτρηση πραγματικού δείγματος σε PET, η οποία πραγματοποιήθηκε σε χωνευτήρια αλουμινίου (εδώ σε χωνευτήρια Concavus®, μπλε καμπύλη) και σε χωνευτήρια Al2O3 (κόκκινη διακεκομμένη γραμμή). Η DSC, που αντικατοπτρίζει τη δοκιμή σε χωνευτήρια αλουμινίου, υπερτερεί εδώ σε σχέση με τη μέτρηση σε χωνευτήρια Al2O3, τόσο όσον αφορά την ένταση της κορυφής (υψηλότερη) όσο και το πλάτος της κορυφής (στενότερο).
Το γεγονός ότι το αλουμίνιο είναι σημαντικά λιγότερο ακριβό από τα πολύτιμα μέταλλα χρυσό και άργυρο και ότι επίσης δεν έχει καταλυτική επίδραση στα οργανικά υλικά, όπως θα είχε ο χαλκός (φράση-κλειδί: οξειδωτική σταθερότητα του περιβλήματος καλωδίων σε χωνευτήρια χαλκού), έχουν καταστήσει το αλουμίνιο το πρότυπο υλικό χωνευτηρίου για πολυμερή, πολλά φαρμακευτικά προϊόντα και τρόφιμα. Το σημείο τήξης του καθαρού αλουμινίου είναι 660,3°C, οπότε το εύρος θερμοκρασιών για τη χρήση χωνευτηρίων αλουμινίου περιορίζεται σε 610°C κατ' ανώτατο όριο.
Crucible Shape - Η μορφή ακολουθεί τη λειτουργία
Ένας άλλος παράγοντας για τη βελτιστοποίηση της μεταφοράς θερμότητας είναι η καλή επαφή μεταξύ του πυθμένα του χωνευτηρίου και του αισθητήρα. Θεωρητικά, ένας απόλυτα επίπεδος πυθμένας χωνευτηρίου τοποθετημένος πάνω σε έναν απόλυτα επίπεδο αισθητήρα θα ήταν ο ιδανικός συνδυασμός. Πρέπει, ωστόσο, να ληφθεί υπόψη ότι ακόμη και οι μεταλλικές επιφάνειες που είναι μακροσκοπικά επίπεδες αποτελούνται από μικροσκοπικές ανυψώσεις και κοιλότητες που οφείλονται στην τραχύτητα της επιφάνειας - έτσι, όπου οι επίπεδες επιφάνειες ενός χωνευτηρίου και ενός αισθητήρα συναντώνται, η επαφή πραγματοποιείται μόνο σε ορισμένα σημεία. Όσο περισσότερα τέτοια σημεία υπάρχουν, τόσο καλύτερη θα είναι η μεταφορά θερμότητας.
Επιπλέον, ιδίως για χωνευτήρια με σχετικά λεπτό πυθμένα, δεν πρέπει να αγνοούνται οι κατασκευαστικές ανοχές. Ακόµη και οι ανωµαλίες small στην επίπεδη επιφάνεια του πυθµένα ενός χωνευτηρίου µπορούν να µειώσουν σηµαντικά την αναπαραγωγιµότητα των αποτελεσµάτων των µετρήσεων για τέτοια χωνευτήρια.
Μια νέα προσέγγιση για την αντιμετώπιση αυτών των προκλήσεων είναι να προσδίδεται κοίλο σχήμα στον πυθμένα του χωνευτηρίου, δηλαδή να δημιουργείται σκόπιμα μια κοίλη προς τα μέσα επιφάνεια του εξωτερικού πυθμένα του χωνευτηρίου, όπως πραγματοποιήθηκε στο χωνευτήριο Concavus® από αλουμίνιο (σχήμα 3). Όταν τοποθετείται πάνω σε επίπεδο αισθητήρα, αυτό έχει ως αποτέλεσμα μια ομοιόμορφη ζώνη επαφής σε σχήμα δακτυλίου και βελτιώνει σημαντικά την αναπαραγωγιμότητα.
Το χωνευτήρι Concavus® σχεδιάστηκε ειδικά για τον αισθητήρα Corona του DSC 214 Polyma, αλλά μπορεί επίσης να χρησιμοποιηθεί σε οποιοδήποτε άλλο όργανο NETZSCH DSC ή STA με φορέα δειγμάτων DSC.
Με ύψος μόνο μερικών χιλιοστών, τα χωνευτήρια DSC είναι γενικά αρκετά επίπεδα. Επομένως, μόνο ένα ποσό θερμότητας small μπορεί να χαθεί στην περιβάλλουσα ατμόσφαιρα αερίων και η επίδραση στην ευαισθησία του συστήματος είναι αντίστοιχα θετική.
Περίληψη
Το αλουμίνιο είναι το ιδανικό υλικό χωνευτηρίου για τις περισσότερες εργασίες μέτρησης στην περιοχή θερμοκρασιών έως 610°C, καθώς το κόστος υλικού και παραγωγής του είναι σχετικά χαμηλό, ενώ οι ιδιότητες του υλικού του είναι ακόμη πολύ καλές.
Το ειδικό σχήμα του χωνευτηρίου Concavus® σε συνδυασμό με τον αισθητήρα Corona θέτει νέα πρότυπα σε αυτόν τον τομέα.
Ως γενικός κανόνας, είναι σημαντικό να χρησιμοποιούνται πάντα υλικά χωνευτηρίου select τα οποία δεν αλληλεπιδρούν με το δείγμα. Όποτε είναι δυνατόν, τα μεταλλικά χωνευτήρια θα πρέπει να προτιμώνται για έρευνες DSC λόγω των ανώτερων ιδιοτήτων μεταφοράς θερμότητας που διαθέτουν.