Εισαγωγή
Η έννοια της πλατφόρμας στην NETZSCH-Gerätebau GmbH
Η ιδέα της πλατφόρμας μας αποτελείται σήμερα από τρία βασικά όργανα (DSC, STA και TMA), καθένα από τα οποία διατίθεται σε δύο διαφορετικά μοντέλα (F1 και F3 ). Όλα τα ηλεκτρονικά εξαρτήματα που είναι απαραίτητα για τη λειτουργία αυτών των οργάνων μαζί με τη μονάδα παροχής αερίου περιέχονται σε ένα ενιαίο, ολοκληρωμένο περίβλημα. Οι κλίβανοι και οι υποδοχές δειγμάτων μπορούν να αντικατασταθούν γρήγορα και εύκολα από τον χειριστή. Αυτή η αρθρωτή διάταξη όχι μόνο προσδίδει ομοιόμορφη εμφάνιση στα όργανα, αλλά και παρέχει μέγιστη ευελιξία για την προσαρμογή σε μεταβαλλόμενες αναλυτικές καταστάσεις και για τη διευκόλυνση της εφαρμογής τυχόν επακόλουθων τροποποιήσεων που απαιτούνται στις συνθήκες λειτουργίας του οργάνου. Στο σχήμα 1 απεικονίζονται οι διάφορες εκδόσεις οργάνων που αποτελούν την έννοια της πλατφόρμας.
Ένας χαλύβδινος κλίβανος είναι διαθέσιμος και για τους τρεις τύπους οργάνων. Αυτό επιτρέπει την κάλυψη ενός εύρους θερμοκρασιών από -150°C έως 1000°C στο δείγμα. Στο παρόν σημείωμα εφαρμογής θα συζητηθούν αποτελέσματα μετρήσεων που είναι τυπικά σε αυτό το εύρος θερμοκρασιών για πολυμερή (θερμοπλαστικά, ελαστομερή) και κρυσταλλικές οργανικές ουσίες, όπως η ζάχαρη.
STA 449 F1 Jupiter® με φούρνο χάλυβα
Εκτός από τις παραλλαγές του οργάνου που αναφέρθηκαν παραπάνω, μπορούν να παρασχεθούν διάφορα πρόσθετα για την ταυτόχρονη θερμική ανάλυση (STA), όπως οι μέθοδοι σύζευξης, PulseTA® ή η γεννήτρια υδρατμών. Προς το παρόν διατίθενται εννέα συστήματα φούρνων για το STA 449, που καλύπτουν ένα εύρος θερμοκρασιών από -150°C έως 2400°C στο δείγμα (σχήμα 2).
Συνθήκες μέτρησης
Στο παρόν σημείωμα εφαρμογής παρουσιάζονται τα αποτελέσματα των μετρήσεων για ένα πολυμερές φιλμ από τεφθαλικό πολυαιθυλένιο (PET), δύο δείγματα ελαστομερούς και σορβιτόλη - ένα σάκχαρο C6. Για όλες τις έρευνες χρησιμοποιήθηκαν τυποποιημένες συνθήκες- αυτές συνοψίζονται στον πίνακα 1.
Πίνακας 1: Συνθήκες μέτρησης
| Ελαστοµερές | PET | Σορβιτόλη | |
|---|---|---|---|
| Όργανο µέτρησης | STA 449 F3 Jupiter® | STA 449 F3 Jupiter® | STA 449 F3 Jupiter® |
| Τύπος φούρνου | Χαλύβδινος κλίβανος | Χαλύβδινος κλίβανος | Χαλύβδινος κλίβανος |
| Φορέας δείγματος | Οκταγωνικό (ASC) | Οκταγωνικός (ASC) | Οκταγωνικό (ASC) |
| Θερµοζεύγος | P | P | P |
| Έλεγχος θερμοκρασίας δείγματος (STC) | Απενεργοποίηση | Off | Off |
| Παράμετροι ψύξης | GN2, αυτόματη | GN2, auto | GN2, auto |
| Μάζα δείγματος | 13.493 mg, 12.292 mg | 4.945 mg | 6.724 mg |
| Υλικό χωνευτηρίου | Πλατίνα | Πλατίνα | Πλατίνα |
| Ατµόσφαιρα | Ήλιο | Ήλιο | Ήλιο |
| Ρυθμός ροής αερίου | 70 ml/min | 70 ml/min | 70 ml/min |
| Ρυθμός θέρμανσης/ψύξης | 10 K/min | 10 K/min | 10 K/min |
Αποτελέσματα μέτρησης
Για να χαρακτηριστούν τα ελαστομερή, είναι απαραίτητο να διεξάγονται οι αναλύσεις σε εύρος κάτω από τη θερμοκρασία δωματίου. Δεδομένου ότι τα ελαστομερή δεν έχουν κρυσταλλικά τμήματα, δεν υπάρχει σημείο τήξης ή περιοχή τήξης για τις ουσίες αυτές. Τα ελαστομερή είναι αμιγώς άμορφα στερεά, δηλαδή αυτά που έχουν στερεοποιηθεί με μη δομημένο τρόπο. Μέσω της DSC, ωστόσο, μπορούν να ληφθούν σημαντικές πληροφορίες σχετικά με τις ιδιότητες του υλικού - για παράδειγμα, με τον προσδιορισμό της θερμοκρασίας υαλώδους μετάπτωσης. Σε αυτή τη θερμοκρασία, οι μηχανικές ιδιότητες του δείγματος αλλάζουν δραματικά. Σε θερμοκρασίες κάτω από τη θερμοκρασία υαλώδους μετάβασης (Tg), ένα άμορφο υλικό είναι εύθραυστο και εύθραυστο- πάνω από τη θερμοκρασία υαλώδους μετάβασης, αντίθετα, είναι ελαστικό και εύκαμπτο. Αυτή η μεταβολή των μηχανικών ιδιοτήτων μπορεί να μετρηθεί πολύ εύκολα με μεθόδους μηχανικής δοκιμής όπως η DIL, η TMA ή η DMA. Επειδή η ειδική θερμότητα ενός δείγματος μεταβάλλεται επίσης κατά τη διάρκεια αυτής της αλλαγής της μηχανικής ιδιότητας, μια θερμιδική μέθοδος όπως η διαφορική θερμιδομετρία σάρωσης (DSC) μπορεί επίσης να χρησιμοποιηθεί για τον προσδιορισμό της θερμοκρασίας υαλώδους μετάβασης. Στα αποτελέσματα της μέτρησης DSC, η θερμοκρασία υαλώδους μετάβασης μπορεί να παρατηρηθεί ως βήμα- το ύψος του βήματος αποτελεί άμεση ένδειξη της μεταβολής της ειδικής θερμότητας, σε μονάδες J/gK.
Κατά την έρευνα του πολυισοπρενίου (NR, φυσικό καουτσούκ), η υαλώδης μετάβαση αναμένεται να συμβεί σε θερμοκρασία περίπου -50°C. Ωστόσο, αυτή η θερμοκρασία υαλώδους μετάπτωσης μπορεί να ποικίλλει ανάλογα με το μίγμα του καουτσούκ και το selectιόν των προσθέτων, όπως οι πλαστικοποιητές, και επομένως μπορεί να προσαρμοστεί στις αντίστοιχες απαιτήσεις της εφαρμογής. Στο Σχήμα 3 παρουσιάζονται τα αποτελέσματα του προσδιορισμού της θερμοκρασίας υαλώδους μετάβασης για δύο δείγματα ελαστομερούς.
Για τα ημικρυσταλλικά υλικά, υπάρχουν άμορφες περιοχές παράλληλα με τις κρυσταλλικές (τομείς). Οι άμορφες περιοχές χαρακτηρίζονται μέσω της θερμοκρασίας υαλώδους μετάπτωσης όπως περιγράφηκε παραπάνω, ενώ οι κρυσταλλικές περιοχές χαρακτηρίζονται από τη συμπεριφορά τήξης τους. Δεδομένου ότι τα στάδια μηχανικής και θερμικής επεξεργασίας μπορούν να μεταβάλουν την αναλογία της άμορφης προς την κρυσταλλική περιοχή, οι έρευνες DSC περιλαμβάνουν συνήθως τη σύγκριση δύο τμημάτων θέρμανσης. Μεταξύ αυτών των δύο τμημάτων θέρμανσης, τα δείγματα υποβάλλονται σε γραμμική ψύξη στο όργανο DSC μέσω ενός ελεγχόμενου προγράμματος ψύξης, ώστε να αποφεύγεται η υποβολή του υλικού σε νέες καταστάσεις τάσης. Στο Σχήμα 4 απεικονίζεται η σύγκριση αυτών των δύο τμημάτων θέρμανσης (κόκκινο:1η θέρμανση, πράσινο:2η θέρμανση), μαζί με το τμήμα ψύξης (μπλε) που πραγματοποιήθηκε μεταξύ των δύο τμημάτων θέρμανσης.
Φαίνεται σαφώς ότι το διαφανές φιλμ ΡΕΤ ήταν largely άμορφο πριν από την πρώτη θέρμανση και ότι χαρακτηριζόταν από υψηλότερο κρυσταλλικό ποσοστό μετά την ελεγχόμενη ψύξη που πραγματοποιήθηκε με ρυθμό 10 K/min.
Ένα τυπικό προφίλ θερμοκρασίας-χρόνου για μια τέτοια κυκλική επεξεργασία ενός δείγματος απεικονίζεται στο σχήμα 5 που εφαρμόζεται για τη διερεύνηση της σορβιτόλης.
Τα αποτελέσματα των μετρήσεων για τη σορβιτόλη παρουσιάζονται στο σχήμα 6. Η ουσία ήταν πλήρως κρυσταλλική πριν από την έρευνα, γι' αυτό και δεν παρατηρήθηκε υαλώδης μετάβαση κατά την πρώτη θέρμανση (κόκκινο) στην περιοχή γύρω από τους 0°C. Η τήξη του δείγματος ανιχνεύθηκε σε θερμοκρασία κορυφής 101°C. Κατά την ψύξη του υγρού δείγματος σορβιτόλης (μπλε) δεν παρατηρήθηκε κρυστάλλωση- αντίθετα, το δείγμα στερεοποιήθηκε άμορφα, όπως υποδεικνύεται από την ανίχνευση της υαλώδους μετάβασης στους -3,6°C (μέσο σημείο). Κατά τη διάρκεια της δεύτερης θέρμανσης (πράσινο), ανιχνεύθηκε και πάλι η υαλώδης μετάβαση (μέσο σημείο: -0,3°C)- μέχρι τότε, το δείγμα ήταν εντελώς άμορφο και συνεπώς δεν παρουσίαζε τήξη. Η κυκλική θερμοκρασιακή επεξεργασία με ρυθμούς θέρμανσης και ψύξης 10 K/min προκάλεσε τη μεταβολή του δείγματος από μια πλήρως κρυσταλλική σε μια πλήρως άμορφη κατάσταση.
Περίληψη
Τα παραδείγματα μετρήσεων καταδεικνύουν ότι ακόμη και μια STA - η οποία έχει σχεδιαστεί κυρίως για την περιοχή υψηλών θερμοκρασιών - είναι ικανή να αναλύει δείγματα για τα οποία μια DSC 204 F1 Phoenix® ή ένα DSC 200 F3 Maia θα χρησιμοποιούνταν κανονικά, απλώς και μόνο με την αλλαγή του κλιβάνου.