Introducción
El concepto de plataforma en NETZSCH-Gerätebau GmbH
Nuestro concepto de plataforma se compone actualmente de tres instrumentos básicos (DSC, STA y TMA), cada uno de ellos en dos modelos diferentes (F1 y F3 ). Todos los componentes electrónicos necesarios para el funcionamiento de estos instrumentos, junto con la unidad de suministro de gas, están contenidos en una única carcasa integradora. El operador puede cambiar los hornos y los portamuestras de forma rápida y sencilla. Esta configuración modular no sólo confiere un aspecto uniforme a los instrumentos, sino que también permite la máxima flexibilidad para ajustarse a situaciones analíticas cambiantes y para facilitar la aplicación de las consiguientes modificaciones necesarias en las condiciones de funcionamiento de los instrumentos. La figura 1 muestra las distintas versiones de instrumentos que componen el concepto de plataforma.
Los tres tipos de instrumentos disponen de un horno de acero. Esto permite cubrir una gama de temperaturas de -150°C a 1000°C en la muestra. En esta nota de aplicación se analizarán los resultados de medición típicos en este rango de temperaturas para polímeros (termoplásticos, elastómeros) y sustancias orgánicas cristalinas, como el azúcar.
STA 449 F1 Jupiter® con horno de acero
Además de las variantes de instrumentos mencionadas anteriormente, se pueden suministrar una serie de complementos para el análisis térmico simultáneo (STA), como los métodos de acoplamiento PulseTA o el generador de vapor de agua. Actualmente hay nueve sistemas de hornos disponibles para el STA 449, que cubren una gama de temperaturas de -150°C a 2400°C en la muestra (figura 2).
Condiciones de medición
En esta nota de aplicación se presentan los resultados de las mediciones de una película polimérica de politereftalato de etileno (PET), dos muestras de elastómero y sorbitol, un azúcar C6. En todas las investigaciones se emplearon condiciones estándar, que se resumen en la tabla 1.
Cuadro 1: Condiciones de medición
| Elastómero | PET | Sorbitol | |
|---|---|---|---|
| Instrumento de medición | STA 449 F3 Jupiter® | STA 449 F3 Jupiter® | STA 449 F3 Jupiter® |
| Tipo de horno | Horno de acero | Horno de acero | Horno de acero |
| Portamuestras | Octogonal (ASC) | Octogonal (ASC) | Octogonal (ASC) |
| Termopar | P | P | P |
| Control de temperatura de la muestra (STC) | Apagado | Apagado | Off |
| Parámetros de refrigeración | GN2, auto | GN2, auto | GN2, auto |
| Masa de la muestra | 13.493 mg; 12.292 mg | 4.945 mg | 6.724 mg |
| Material del crisol | Platino | Platino | Platino |
| Atmósfera | Helio | Helio | Helio |
| Caudal de gas | 70 ml/min | 70 ml/min | 70 ml/min |
| Velocidad de calentamiento/enfriamiento | 10 K/min | 10 K/min | 10 K/min |
Resultados de las mediciones
Para caracterizar los elastómeros, es necesario realizar los análisis en un intervalo inferior a la temperatura ambiente. Dado que los elastómeros no tienen porciones cristalinas, no existe ningún punto o intervalo de fusión para estas sustancias. Los elastómeros son sólidos puramente amorfos, es decir, que se han solidificado de forma desestructurada. Sin embargo, mediante DSC se puede obtener información importante sobre las propiedades del material, por ejemplo, determinando la temperatura de transición vítrea. A esta temperatura, las propiedades mecánicas de la muestra cambian drásticamente. A temperaturas inferiores a la temperatura de transición vítrea (Tg), un material amorfo es quebradizo y frágil; por encima de la temperatura de transición vítrea, en cambio, es elástico y flexible. Este cambio en las propiedades mecánicas puede medirse muy fácilmente con métodos de ensayo mecánicos como DIL, TMA o DMA. Dado que el calor específico de una muestra también cambia durante este cambio de propiedad mecánica, también puede utilizarse un método calórico como la calorimetría diferencial de barrido (DSC) para determinar la temperatura de transición vítrea. En los resultados de la medición DSC, la temperatura de transición vítrea puede observarse como un escalón; la altura del escalón es una indicación directa del cambio en el calor específico, en unidades de J/gK.
En la investigación del poliisopreno (NR, caucho natural), se espera que la transición vítrea se produzca a una temperatura de aproximadamente -50°C. Sin embargo, esta temperatura de transición vítrea puede variar en función de la mezcla de caucho y de la selección de aditivos como los plastificantes, por lo que puede ajustarse a los requisitos de aplicación correspondientes. La figura 3 muestra los resultados de la determinación de la temperatura de transición vítrea de dos muestras de elastómero.
En los materiales semicristalinos, existen regiones amorfas junto a otras cristalinas (dominios). Las regiones amorfas se caracterizan mediante la temperatura de transición vítrea descrita anteriormente, mientras que las regiones cristalinas se caracterizan por su comportamiento de fusión. Dado que las etapas de tratamiento mecánico y térmico pueden alterar la proporción entre la región amorfa y la cristalina, las investigaciones DSC suelen implicar la comparación de dos segmentos de calentamiento. Entre estos dos calentamientos, las muestras se someten a un enfriamiento lineal en el instrumento DSC mediante un programa de enfriamiento controlado para evitar someter el material a nuevos estados de tensión. La figura 4 muestra la comparación de estos dos segmentos de calentamiento (rojo:1er calentamiento, verde:2º calentamiento), junto con el segmento de enfriamiento (azul) que se llevó a cabo entre los dos calentamientos.
Puede verse claramente que la película de PET transparente era en gran parte amorfa antes del primer calentamiento y que se caracterizaba por una mayor proporción cristalina tras el enfriamiento controlado que tuvo lugar a una velocidad de 10 K/min.
En la figura 5 se muestra un perfil típico de temperatura-tiempo para dicho tratamiento cíclico de una muestra aplicado a la investigación del sorbitol.
En la figura 6 se presentan los resultados de la medición del sorbitol. La sustancia era completamente cristalina antes de la investigación, razón por la cual no se observó transición vítrea durante el primer calentamiento (rojo) en el intervalo en torno a 0°C. La fusión de la muestra se detectó a una temperatura pico de 101°C. Durante el enfriamiento de la muestra de sorbitol líquido (azul) no se observó CristalizaciónLa cristalización es el proceso físico de endurecimiento durante la formación y el crecimiento de cristales. Durante este proceso se libera calor de cristalización.cristalización alguna, sino que la muestra se solidificó amorfamente, como indica la detección de la transición vítrea a -3,6°C (punto medio). Durante el segundo calentamiento (verde), se detectó de nuevo la transición vítrea (punto medio: -0,3°C); para entonces, la muestra era completamente amorfa y, por tanto, no presentaba fusión. El tratamiento cíclico de la temperatura a velocidades de calentamiento y enfriamiento de 10 K/min hizo que la muestra pasara de un estado completamente cristalino a otro completamente amorfo.
Resumen
Los ejemplos de medición demuestran que incluso un STA -diseñado principalmente para el rango de altas temperaturas- es capaz de analizar muestras para las que normalmente se utilizaría un DSC 204 F1 Phoenix® o un DSC 200 F3 Maia, simplemente cambiando el horno.