Johdanto
DSC-tulosten laatu määräytyy usein jo näytteen valmistelun ja mittausparametrien valinnan vaiheessa. Valittu upokas on tässä yhteydessä tärkeässä asemassa. Sellaiset muuttujat kuin upokkaan materiaali, muoto, tilavuus ja massa sekä kannen tila (kyllä/ei/pierretty/suljettu) ovat tärkeitä vaikuttavia tekijöitä. Näistä kahta ensimmäistä - upokkaan materiaalia ja muotoa - käsitellään tarkemmin tässä artikkelissa.
DSC-tutkimuksissa upokas toimii ensisijaisesti säiliönä näytteelle ja vertailumateriaalille, ja sen on - aivan kuten hellan kattilan - suojattava anturia kontaminaatiolta ja jaettava lämpö mahdollisimman tasaisesti näytteeseen tai vertailumateriaaliin reagoimatta sen kanssa. Lisäksi upokkaan on huolehdittava hyvästä lämmönsiirrosta anturiin, jotta pienikin muutos näytteessä voidaan havaita. Ratkaisevia tekijöitä ovat upokkaan materiaalin LämmönjohtavuusLämmönjohtavuus (λ, yksikkö W/(m-K)) kuvaa lämmön muodossa olevan energian kulkeutumista massakappaleen läpi lämpötilagradientin vaikutuksesta (ks. kuva 1). Termodynamiikan toisen lain mukaan lämpö virtaa aina alemman lämpötilan suuntaan.lämmönjohtavuus sekä upokkaan pohjan ja anturin välisen kosketuksen aste.
Korkea lämmönjohtavuus tarjoaa hyvän lämmönsiirron
Materiaalin LämmönjohtavuusLämmönjohtavuus (λ, yksikkö W/(m-K)) kuvaa lämmön muodossa olevan energian kulkeutumista massakappaleen läpi lämpötilagradientin vaikutuksesta (ks. kuva 1). Termodynamiikan toisen lain mukaan lämpö virtaa aina alemman lämpötilan suuntaan.lämmönjohtavuus (symboli λ) kuvaa lämmön muodossa olevan energian siirtymistä kappaleen läpi lämpötilagradientin perusteella. Mitä korkeampi LämmönjohtavuusLämmönjohtavuus (λ, yksikkö W/(m-K)) kuvaa lämmön muodossa olevan energian kulkeutumista massakappaleen läpi lämpötilagradientin vaikutuksesta (ks. kuva 1). Termodynamiikan toisen lain mukaan lämpö virtaa aina alemman lämpötilan suuntaan.lämmönjohtavuus on, sitä suurempi on siirtyvän energian määrä ja sitä tehokkaampi on lämmönsiirto.
Eri upokkaiden materiaalien lämmönjohtavuudet on esitetty taulukossa. 1. Se vahvistaa, että metalleilla on suurempi λ-arvo kuin esimerkiksi keraamisilla aineilla (alumiinioksidi) ja ne ovat siksi parempia lämmönjohtimia. Alumiinin LämmönjohtavuusLämmönjohtavuus (λ, yksikkö W/(m-K)) kuvaa lämmön muodossa olevan energian kulkeutumista massakappaleen läpi lämpötilagradientin vaikutuksesta (ks. kuva 1). Termodynamiikan toisen lain mukaan lämpö virtaa aina alemman lämpötilan suuntaan.lämmönjohtavuus 237 W/(m-K) on suurempi kuin platinan ja paljon suurempi kuin alumiinioksidin, mutta silti huomattavasti pienempi kuin kullan, kuparin ja hopean.
Taulukko 1: Joidenkin tyypillisten upokkaiden lämpöfysikaaliset tiedot RT:ssä
Materiaali | (W/(m-K)) | Lämpödiffuusiokyky (mm²/s) | Ominaislämpökapasiteetti (cp)Lämpökapasiteetti on materiaalikohtainen fysikaalinen suure, joka määräytyy näytteeseen syötetyn lämmön määrän ja siitä aiheutuvan lämpötilan nousun perusteella. Ominaislämpökapasiteetti suhteutetaan näytteen massayksikköön.Ominaislämpökapasiteetti Ominaislämpökapasiteetti (cp)Lämpökapasiteetti on materiaalikohtainen fysikaalinen suure, joka määräytyy näytteeseen syötetyn lämmön määrän ja siitä aiheutuvan lämpötilan nousun perusteella. Ominaislämpökapasiteetti suhteutetaan näytteen massayksikköön.cp (J/(g-K)) |
|---|---|---|---|
| Alumiini | 237(1) | 98.8(3) | 0.9(1) |
| Platina | 71.6(1) | 25(3) | 0.13(1) |
| Al2O3 (α) | 28(3) | 10.2(2) | 0.76(2) |
| Kupari | 404(1) | 117(3) | 0.39(1) |
| Hopea | 429(1) | 173(3) | 0.23(1) |
| Kulta | 317(1) | 127.2(3) | 0.13(1) |
Kuva 1 havainnollistaa edellä mainittuja eroja kolmen eri mittauksen avulla, jotka on tehty indiumille alumiini-, Al2O3- ja platina/rodium- upokkaissa. Kun näytteen massa on sama ja olosuhteet muuten samanlaiset, alumiinisessa upokkaassa tehdyssä mittauksessa (punainen käyrä) havaittiin suurin piikki, jota seurasi Pt/Rh-upokkaassa tehty mittaus (sininen). Mustassa katkoviivoitetussa käyrässä on pienin piikki, ja se edustaa Al2O3- upokkaassa tehtyä mittausta. Hopea ja kulta muodostavat seoksia joutuessaan kosketuksiin indiumin kanssa, joten niitä ei otettu mukaan tähän testisarjaan.
Metallien hyvät lämmönsiirto-ominaisuudet näkyvät paitsi vastaavissa piikkien korkeuksissa myös niin sanotussa aikavakioarvossa. Tämä määritellään ajaksi, jonka mittaussignaali tarvitsee laskeakseen huippunsa huipusta 1/e:een intensiteetistä (vastaa noin 63 prosentin laskua). Vaikka tarkkoja numeerisia tietoja ei olisikaan, kuvasta 1 voidaan nähdä, että sulamishuipun jälkeinen kaltevuus laskee paljon vähemmän jyrkästi Al2O3-astiassa tehdyissä mittauksissa kuin metalliastiassa tehdyissä mittauksissa. Mitä kapeampi piikki on (esim. mitä lyhyempi aikavakio on), sitä paremmin naapurivaikutukset erottuvat toisistaan ja sitä parempi resoluutio on. Keskeisiä tekijöitä ovat lämpödiffuusiokyky (symboli: a), joka osoittaa, kuinka nopeasti materiaali reagoi lämpötilan muutokseen, ja lämpömassa (m-Ominaislämpökapasiteetti (cp)Lämpökapasiteetti on materiaalikohtainen fysikaalinen suure, joka määräytyy näytteeseen syötetyn lämmön määrän ja siitä aiheutuvan lämpötilan nousun perusteella. Ominaislämpökapasiteetti suhteutetaan näytteen massayksikköön.cp) (a ja Ominaislämpökapasiteetti (cp)Lämpökapasiteetti on materiaalikohtainen fysikaalinen suure, joka määräytyy näytteeseen syötetyn lämmön määrän ja siitä aiheutuvan lämpötilan nousun perusteella. Ominaislämpökapasiteetti suhteutetaan näytteen massayksikköön.cp, ks. myös taulukko 1).
Kuvassa 2 esitetään PET:stä tehty todellinen näytemittaus, joka on suoritettu alumiiniupokkaissa (tässä Concavus® upokkaissa, sininen käyrä) ja Al2O3-upokkaissa (punainen katkoviiva). DSC, joka kuvastaa alumiinisulakkeissa tehtyä testiä, on tässä tapauksessa parempi kuin Al2O3-sulakkeissa tehty mittaus sekä piikin intensiteetin (korkeampi) että piikin leveyden (kapeampi) osalta.
Koska alumiini on huomattavasti edullisempi kuin jalometallit kulta ja hopea ja koska se ei myöskään vaikuta orgaanisiin materiaaleihin katalyyttisesti kuten kupari (puhutteleva termi: kaapelin vaipan hapettumisstabiliteetti kupariupokkaissa), alumiinista on tullut polymeerien, monien lääkkeiden ja elintarvikkeiden vakioupokkaiden materiaali. Puhtaan alumiinin Sulamislämpötilat ja lämpöarvotAineen fuusioentalpia, joka tunnetaan myös latenttina lämpönä, on mitta, jolla mitataan energiapanosta, yleensä lämpöä, joka tarvitaan aineen muuttamiseksi kiinteästä olomuodosta nestemäiseksi. Aineen sulamispiste on lämpötila, jossa aine vaihtaa olomuotoaan kiinteästä olomuodosta (kiteinen) nestemäiseksi olomuodoksi (isotrooppinen sula).sulamispiste on 660,3 °C, joten alumiinisulattojen käyttölämpötila on rajoitettu enintään 610 °C:een.
Crucible Shape - Muoto seuraa toimintaa
Toinen lämmönsiirtoa optimoiva tekijä on hyvä kosketus upokkaan pohjan ja anturin välillä. Teoriassa ihanteellinen yhdistelmä olisi täysin tasainen upokkaan pohja, joka on sijoitettu täysin tasaisen anturin päälle. On kuitenkin otettava huomioon, että jopa makroskooppisesti tasaisilla metallipinnoilla on pinnan karheudesta johtuvia mikroskooppisia kohoumia ja painaumia, joten upokkaan ja anturin tasaiset pinnat ovat kosketuksissa toisiinsa vain tietyissä kohdissa. Mitä enemmän tällaisia kohtia on, sitä parempi lämmönsiirto on.
Lisäksi valmistustoleransseja ei saa jättää huomiotta varsinkaan silloin, kun kyseessä ovat upokkaat, joiden pohja on suhteellisen ohut. Jopa small poikkeamat upokkaan pohjan tasopinnassa voivat heikentää huomattavasti tällaisten upokkaiden mittaustulosten toistettavuutta.
Uusi lähestymistapa näihin haasteisiin vastaamiseksi on antaa upokkaan pohjalle kovera muoto, eli luoda tarkoituksellisesti upokkaan ulkopohjaan sisäänpäin suuntautuva koveruus, kuten alumiinista valmistetussa Concavus® upokkaassa (kuva 3). Kun se asetetaan tasaiselle anturille, tuloksena on tasainen, rengasmainen kosketusvyöhyke, ja toistettavuus paranee huomattavasti.
Concavus® upokas on suunniteltu erityisesti DSC 214 Polyma-laitteen Corona anturia varten, mutta sitä voidaan käyttää myös missä tahansa muussa NETZSCH DSC- tai STA-laitteessa, jossa on DSC-näytteenottolaite.
Vain muutaman millimetrin korkuiset DSC-astiat ovat yleensä melko litteitä. Siksi vain small määrä lämpöä voi hävitä ympäröivään kaasuilmakehään, ja vaikutus järjestelmän herkkyyteen on vastaavasti positiivinen.
Yhteenveto
Alumiini on ihanteellinen upokasmateriaali useimpiin mittaustehtäviin 610 °C:n lämpötila-alueella, koska sen materiaali- ja tuotantokustannukset ovat suhteellisen alhaiset ja materiaaliominaisuudet silti erittäin hyvät.
Concavus® upokkaan erityinen muoto yhdessä Corona -anturin kanssa asettaa uudet standardit tällä alalla.
Yleissääntönä on, että on tärkeää käyttää aina select upokkaiden materiaaleja, jotka eivät ole vuorovaikutuksessa näytteen kanssa. Aina kun mahdollista, DSC-tutkimuksissa olisi suosittava metallisia upokkaita niiden parempien lämmönsiirto-ominaisuuksien vuoksi.