Johdanto
Alustakonsepti osoitteessa NETZSCH-Gerätebau GmbH
Alustakonseptimme koostuu tällä hetkellä kolmesta peruslaitteesta (DSC, STA ja TMA), joista kutakin on saatavana kahta eri mallia (F1 ja F3 ). Kaikki näiden laitteiden käyttöön tarvittavat elektroniset komponentit sekä kaasunsyöttöyksikkö ovat yhdessä yhtenäisessä kotelossa. Käyttäjä voi vaihtaa uunit ja näytteenottimet nopeasti ja helposti. Tämä modulaarinen kokoonpano ei ainoastaan anna laitteille yhtenäisen ulkonäön, vaan se mahdollistaa myös mahdollisimman suuren joustavuuden, jotta ne voidaan mukauttaa muuttuviin analyysitilanteisiin ja helpottaa laitteiden käyttöolosuhteisiin tarvittavien muutosten toteuttamista. Kuvassa 1 esitetään alustakonseptin muodostavat eri laiteversiot.
Kaikkiin kolmeen laitetyyppiin on saatavana teräsuuni. Tämä mahdollistaa näytteen lämpötila-alueen kattamisen -150 °C:sta 1000 °C:seen. Tässä sovellusohjeessa käsitellään tällä lämpötila-alueella tyypillisiä mittaustuloksia polymeerien (kestomuovit, elastomeerit) ja kiteisten orgaanisten aineiden, kuten sokerin, osalta.
STA 449 F1 Jupiter® teräsuunin kanssa
Edellä mainittujen laitevaihtoehtojen lisäksi samanaikaiseen lämpöanalyysiin (STA) voidaan toimittaa useita lisälaitteita, kuten kytkentämenetelmiä, PulseTA® tai vesihöyrygeneraattori. STA 449:ään on tällä hetkellä saatavana yhdeksän uunijärjestelmää, jotka kattavat näytteen lämpötila-alueen -150 °C:sta 2400 °C:seen (kuva 2).
Mittausolosuhteet
Tässä sovellusmuistiossa esitetään mittaustulokset polyeteenitereftalaatista (PET) valmistetulle polymeerikalvolle, kahdelle elastomeerinäytteelle ja sorbitolille - C6-sokerille. Kaikissa tutkimuksissa käytettiin vakio-olosuhteita, joista on yhteenveto taulukossa 1.
Taulukko 1: Mittausolosuhteet
| Elastomeeri | PET | Sorbitoli | |
|---|---|---|---|
| Mittauslaite | STA 449 F3 Jupiter® | STA 449 F3 Jupiter® | STA 449 F3 Jupiter® |
| Uunin tyyppi | Teräsuuni | Teräsuuni | Teräsuuni |
| Näytteen kantaja | Kahdeksankulmainen (ASC) | Kahdeksankulmainen (ASC) | Kahdeksankulmainen (ASC) |
| Termopari | P | P | P |
| Näytteen lämpötilan säätö (STC) | Pois päältä | Off | Off |
| Jäähdytysparametrit | GN2, automaattinen | GN2, auto | GN2, auto |
| Näytteen massa | 13.493 mg; 12.292 mg | 4.945 mg | 6.724 mg |
| Upokkaiden materiaali | Platina | Platina | Platina |
| Atmosfääri | Helium | Helium | Helium |
| Kaasun virtausnopeus | 70 ml/min | 70 ml/min | 70 ml/min |
| Lämmitys-/jäähdytysnopeus | 10 K/min | 10 K/min | 10 K/min |
Mittaustulokset
Elastomeerien karakterisoimiseksi on välttämätöntä tehdä analyysit huoneenlämpötilan alapuolella. Koska elastomeereissä ei ole kiteisiä osia, näille aineille ei ole olemassa sulamispistettä tai sulamisaluetta. Elastomeerit ovat puhtaasti amorfisia kiinteitä aineita, toisin sanoen sellaisia, jotka ovat jähmettyneet rakenteettomasti. DSC:n avulla voidaan kuitenkin saada tärkeää tietoa materiaalin ominaisuuksista - esimerkiksi määrittämällä lasittumislämpötila. Tässä lämpötilassa näytteen mekaaniset ominaisuudet muuttuvat dramaattisesti. Lasittumislämpötilan (Tg) alapuolella amorfinen materiaali on haurasta ja haurasta, lasittumislämpötilan yläpuolella taas elastista ja joustavaa. Tämä mekaanisten ominaisuuksien muutos voidaan mitata hyvin helposti mekaanisilla testimenetelmillä, kuten DIL, TMA tai DMA. Koska myös näytteen ominaislämpö muuttuu mekaanisten ominaisuuksien muuttuessa, lasittumislämpötilan määrittämiseen voidaan käyttää myös kalorimenetelmää, kuten differentiaalista pyyhkäisykalorimetriaa (DSC). DSC-mittaustuloksissa lasittumislämpötila voidaan havaita askeleena; askeleen korkeus on suora osoitus ominaislämmön muutoksesta yksikössä J/gK.
Polyisopreenin (NR, luonnonkumi) tutkimuksessa lasittumisen odotetaan tapahtuvan noin -50 °C:n lämpötilassa. Tämä lasittumislämpötila voi kuitenkin vaihdella kumiseoksesta ja lisäaineiden, kuten pehmittimien, valinnasta riippuen, ja se voidaan siksi mukauttaa vastaaviin sovellusvaatimuksiin. Kuvassa 3 esitetään lasittumislämpötilan määrittämisen tulokset kahdelle elastomeerinäytteelle.
Puolikiteisissä materiaaleissa kiteisten alueiden (domainien) rinnalla on amorfisia alueita. Amorfisia alueita luonnehditaan edellä kuvatulla lasittumislämpötilalla, kun taas kiteisiä alueita luonnehditaan niiden sulamiskäyttäytymisen perusteella. Koska mekaaniset ja lämpökäsittelyvaiheet voivat muuttaa amorfisen ja kiteisen alueen suhdetta, DSC-tutkimuksissa verrataan yleensä kahta lämmitysjaksoa. Näiden kahden lämmitysjakson välillä näytteet jäähdytetään lineaarisesti DSC-laitteessa hallitun jäähdytysohjelman avulla, jotta vältetään materiaalin altistaminen uusille jännitystiloille. Kuvassa 4 esitetään näiden kahden lämmitysjakson vertailu (punainen:1. lämmitys, vihreä:2. lämmitys) sekä kahden lämmitysjakson välissä suoritettu jäähdytysjakso (sininen).
On selvästi nähtävissä, että läpinäkyvä PET-kalvo oli ennen ensimmäistä lämmitystä suurelta osin amorfinen ja että sille oli ominaista suurempi kiteinen osuus kontrolloidun jäähdytyksen jälkeen, joka tapahtui nopeudella 10 K/min.
Kuvassa 5 on esitetty tyypillinen lämpötila-aikaprofiili näytteen sykliselle käsittelylle, jota sovellettiin sorbitolin tutkimiseen.
Sorbitolin mittaustulokset esitetään kuvassa 6. Aine oli täysin kiteinen ennen tutkimusta, minkä vuoksi lasimuutosta ei havaittu ensimmäisen kuumentamisen aikana (punainen) noin 0 °C:n alueella. Näytteen 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).sulaminen havaittiin huippulämpötilassa 101 °C. Nestemäisen sorbitolinäytteen (sininen) jäähdytyksen aikana ei havaittu kiteytymistä, vaan näyte jähmettyi amorfisesti, kuten lasisiirtymän havaitseminen -3,6 °C:ssa (keskipiste) osoittaa. Toisen kuumentamisen aikana (vihreä) havaittiin jälleen lasisiirtymä (keskipiste: -0,3 °C); silloin näyte oli täysin amorfinen, eikä siinä siis tapahtunut sulamista. Syklinen lämpötilakäsittely lämmitys- ja jäähdytysnopeudella 10 K/min aiheutti näytteen muuttumisen täysin kiteisestä tilasta täysin amorfiseen tilaan.
Yhteenveto
Mittausesimerkit osoittavat, että jopa STA - joka on suunniteltu ensisijaisesti korkean lämpötilan alueeseen - pystyy analysoimaan näytteitä, joita DSC 204 F1 Phoenix® tai DSC 200 F3 Maia - laitteella normaalisti käytettäisiin, yksinkertaisesti vaihtamalla uunia.