Johdanto
Määritetyt lämmitys- ja jäähdytysnopeudet ovat tärkeitä parametreja DSC-mittauksissa. Kansainvälisissä standardeissa suositellaan lämmitysnopeudeksi 10 K/min tai 20 K/min (ISO 11357, DIN 53765, ASTM E793, ASTM E794), kun pyritään termodynaamiseen tasapainoon. Polymeerien jalostuksen laadunvalvonnan ja -varmistuksen tavoitteena on sitä vastoin saada mielekkäitä mittaustuloksia nopeammin käyttämällä suurempia lämmitysnopeuksia (esim. 40 K/min). Ensisijaisena tavoitteena on verrata hylätyn kappaleen virtausmittausta vertailukappaleeseen.
Lämmitys- ja jäähdytysnopeuksien vaikutus PBT:n esimerkin avulla
Kuvassa 1 esitetään polybuteenitereftalaatin (PBT) sulamiskäyttäytyminen kasvavalla lämmitysnopeudella. Mittaukset suoritettiin DSC 204 F1 Phoenix® -laitteella typpi-ilmakehässä. Puolikiteisen PBT:n suhteellisen suurella lämmitysnopeudella 40 K/min ei enää näy tyypillistä pienemmissä kiteissä esiintyvää ß-faasin sulamista, vaan ainoastaan pääsulamispiikki (tässä 228 °C:ssa). Jos materiaalia yritetään tunnistaa, tässä tapauksessa voidaan virheellisesti olettaa, että kyseessä on polyamidi (PA 6). Pienemmällä lämmitysnopeudella (10 K/min) ß-faasi erottuu jo selvästi pääpiikistä 217 °C:ssa; tämä on tyypillistä PBT:lle eikä sitä esiinny PA6:lle.
PBT:n kiteytymiskäyttäytyminen saadaan aikaan jäähdytyslaitteella tapahtuvalla sulan kontrolloidulla jäähdytyksellä (kuva 2). Jäähdytysnopeuden kasvaessa sekä jähmettymisen alku (ekstrapoloitu loppu, tarkastelusuunta oikealta vasemmalle) että kiteytymishuipun lämpötila siirtyvät alempiin arvoihin (kuva 3). Jäähdytysnopeuden kasvaessa kiteytymishuippu paitsi kasvaa, myös laajenee laajemmalle lämpötila-alueelle. Vaikka ruiskuvalussa käytetään huomattavasti suurempia jäähdytysnopeuksia, DSC antaa tärkeää tietoa siitä, milloin tai missä lämpötilassa kappale voidaan purkaa työkalusta turvallisesti ja ilman vääristymisvaaraa.
Yhteenveto
Käyttäjä suorittaa tunnollisesti lämpötilakalibroinnin suuremmilla lämmitysnopeuksilla ja kirjaa sulamishuipun lämpötilan siirtymisen suuremmilla arvoilla, mutta yllättyy sitten usein siitä, että DSC-mittaus todellisesta polymeerinäytteestä ei tuota haluttua tulosta. Korkea lämmitysnopeus aiheuttaa lämpöefektien siirtymisen; yksittäisiä piikkejä tai sulamisvaiheita ei voida enää luotettavasti erottaa toisistaan. Jäähdytysnopeus vaikuttaa myös kiteytymiskäyttäytymiseen. Nopeat jäähdytysnopeudet aiheuttavat kiteytymisen viivästymisen, mutta niitä käytetään tuotantoprosessien optimointiin.