DSC auttaa pitämään asiat tiukasti kiinni

Kirsten Hacker on työskennellyt vuodesta 2008 lähtien KLINGER Kempchen GmbH: ssa (entinen Kempchen Dichtungstechnik GmbH) kemian laboratorioteknikkona. Hänellä on nyt 36 vuoden työkokemus laboratoriosta. Hänen vastuualueensa ulottuu rutiinianalyyseistä ja laboratoriotesteistä materiaalien karakterisointiin sekä materiaalien yhteensopivuuden ja kestävyyden määrittämiseen. Seuraavassa raportissa hän kertoo, miten lämpöanalyysi voi auttaa vuototapauksissa.

DSC auttaa pitämään asiat tiukasti kiinni

Vuodot ja niihin liittyvä ei-toivottu väliaineen karkaaminen johtavat usein tilapäisiin tuotantokatkoksiin, jotka voivat aiheuttaa suuria taloudellisia kustannuksia. Mahdollisia syitä voivat olla esimerkiksi materiaalivika tai sekaannus. Tällaiset tapaukset on tunnistettava ajoissa tai vielä parempi, että ne vältetään etukäteen. KLINGER Kempchen on erikoistunut staattisiin tiivisteisiin, kääreisiin ja paisuntaliitoksiin, joiden on toimittava erityisen luotettavasti prosessiteollisuudessa, jossa kriittisiä väliaineita kuljetetaan myös korkeissa paineissa.

Miten lämpöanalyysi voi auttaa vuototapauksissa?

Lämpöanalyysimenetelmää, differentiaalista pyyhkäisykalorimetriaa (DSC), käytetään materiaalien testaamiseen lämpötilan (lämpö/kylmä) vaikutuksesta tapahtuvien faasisiirtymien tai kemiallisten reaktioiden varalta. Tällä tavoin voidaan poistaa etukäteen materiaalit, joilla on ei-toivottuja ominaisuuksia. DSC-menetelmässä näytteeseen kohdistetaan määritelty lämpötilaohjelma, eli näytteen lämpötilaa joko nostetaan tai lasketaan. Adsorboitunut (EksoterminenNäytteen siirtyminen tai reaktio on eksoterminen, jos siinä syntyy lämpöä.eksoterminen) tai absorboitunut (EndoterminenNäytteen siirtyminen tai reaktio on endoterminen, jos muuntumiseen tarvitaan lämpöä.endoterminen) lämpö mitataan lämpövirran avulla. Näin voidaan tehdä päätelmiä kemiallisista tai fysikaalisista prosesseista, kuten faasimuutoksista, kiteytymisestä tai hajoamisreaktioista. Tallentamalla endo- ja eksotermiset vaikutukset saadaan aikaan materiaalin profiili, joka on yhtä yksilöllinen kuin sormenjälki. Sen perusteella voidaan vertailla puhtaita ja sekoitettuja materiaaleja laadullisesti ja ennustaa materiaalin ominaisuuksia.

Miksi tiiviste ei ole tiivis?

Teollisessa tuotannossa esiintyy tietysti myös toistuvia epäonnistumisia tiivisteiden alalla, ja niiden syyt on selvitettävä mahdollisimman nopeasti. Yksi esimerkki on seuraava tapaus:

KLINGER Kempchenin asiakas sai eräältä laitostekniikkayritykseltä tiivisteen, jonka oli tarkoitus olla kloropreenikumista (CR), joka on määritelty kyseiseen käyttötarkoitukseen. CR:stä valmistettu tiiviste oli asiakkaan sovelluksen vaatimus sen kemiallisen kestävyyden vuoksi medium. Tiiviste kuitenkin petti käytön aikana.

Asiakas otti yhteyttä KLINGER Kempchen GmbH:n suunnitteluosastoon saadakseen apua. "Väitettyä" CR-tiivistettä (jäljempänä "tuntematon tiiviste") verrattiin KLINGER Kempchenin CR-vertailumateriaaliin DSC-analyysillä. Mittaukset suoritettiin NETZSCH DSC 200 Maja-laitteessa, jossa näyte painoi noin 10 mg. Mittaukset koostuivat kahdesta lämmitysjaksosta 20 K/min lämpötila-alueella -100 °C:n ja 100 °C:n välillä.

DSC-mittausten vertailu osoittaa merkittävää eroa lasittumislämpötiloissa (tuntematon tiiviste -55 °C; KLINGER Kempchen CR -36 °C). Tuntemattomassa tiivisteessä on ylimääräinen EndoterminenNäytteen siirtyminen tai reaktio on endoterminen, jos muuntumiseen tarvitaan lämpöä.endoterminen vaikutus noin 60 °C:n lämpötilassa.

DSC-tuloksista voitiin päätellä, että tiivisteen tekniset tiedot eivät vastanneet laatuvaatimuksia ja että tämä oli syy materiaalin pettämiseen. Myöhemmin tehty FT-IR-analyysi vahvisti tuloksen.

Uusien materiaalien käyttö

DSC-menetelmällä on toinen tärkeä rooli materiaalien optimoinnissa ja jatkokehityksessä. Kun korvaavaa materiaalia on pidetty mahdollisesti sopivana, se on testattava tämän vahvistamiseksi. Seuraavassa tapauksessa oli tarpeen löytää korvaava materiaali jo käytössä olevalle materiaalille turvallisuus- ja terveydensuojelusyistä. Materiaali A (alumiinisilikaattivilla) oli tarkoitus korvata materiaalilla B (bioliukoinen kivivilla).

Molemmat materiaalit sisältävät tietolomakkeen mukaan kivivillaa, selluloosaa, silikaattitäyteaineita ja orgaanisia sideaineita. Materiaali A sisältää lisäksi kvartsia. Materiaalin B osalta kivivillaa kuvataan "bioliukoiseksi".

Tällä kertaa NETZSCH STA 449 F3 käytettiin yhdistettyä lämpövirtauksen ja massahäviön mittausta varten tarkoitettua laitetta. Molempien materiaalien noin 25 mg:n näytteitä kuumennettiin huoneenlämpötilasta 1200 °C:een ilman alla lämmitysnopeudella 5 K/min. Yhdistetty TGA/DSC-signaali arvioitiin.

Molempien materiaalityyppien yleinen kulku on samankaltainen koko lämpötila-alueella (moniportaiset massahäviökäyrät), vaikka yksittäisten hajoamisvaiheiden korkeuksissa on huomattavia eroja.

DSC-käyrä osoittaa orgaanisen sideaineen ja selluloosan eksotermisen hajoamisen 400 °C:seen asti. Tätä seuraa veden EndoterminenNäytteen siirtyminen tai reaktio on endoterminen, jos muuntumiseen tarvitaan lämpöä.endoterminen vapautuminen piipitoisista täyteaineista.

Kvartsia sisältävien komponenttien läsnäolo voidaan vahvistaa materiaalin B DSC-vaikutuksella 572 °C:ssa.

TGA-käyrästä voidaan nähdä erot määritetyssä jäännösmassassa 1100 °C:ssa (materiaali A: 88,5 %, materiaali B: 81,3 %). Mekaanista stabiilisuutta koskevia lisätutkimuksia olisi tehtävä, jotta voidaan varmistaa, että biologisesti liukeneva kivivilla täyttää edelleen vastaavat vaatimukset esimerkiksi mekaanis-teknisten ominaisuuksien ja tiivistyskäyttäytymisen osalta.

Myöhemmät mittaukset, esimerkiksi vuotonopeuksien mittaukset, osoittivat, että materiaali täyttää edelleen vastaavat vaatimukset.

Tämä jännittävä artikkeli on herättänyt uteliaisuutemme entisestään. Siksi olemme esittäneet Hackerille lisäkysymyksiä:

NETZSCH: Neiti Hacker, työskentelette KLINGER Kempchenin laboratoriossa. Vastuualueenne on hyvin monipuolinen. Asiakkaat lähestyvät KLINGERin teknistä osastoa ja pyytävät tukea esimerkiksi materiaalivaatimuksiin ja kestävyyteen liittyvissä kysymyksissä staattisten tiivisteiden osalta tai kun on ilmennyt vikatapaus. Mitkä ovat yleisimmät kysymykset, joilla asiakkaat lähestyvät sinua, ja miten (lämpö)analyysimenetelmät voivat auttaa tällaisten ongelmien ratkaisemisessa?

Kirsten Hacker: Luomme sormenjälkiä kaikista polymeerimateriaaleistamme lämpöanalyysimenetelmien, kuten DSC:n ja STA:n, avulla. Nämä polymeerimateriaaliemme sormenjäljet auttavat valvomaan tuotannon laatua rutiininomaisissa vertailukokeissa (eräkokeet). Lisäksi tuemme asiakkaitamme tuntemattomien tiivistemateriaalien karakterisoinnissa. Voi esimerkiksi käydä niin, että asiakas on käyttänyt tiivistettä, jonka spesifikaatiota ei enää tunneta. Lämpöanalyysi on erittäin hyödyllinen tässä määrityksessä/typisoinnissa, sillä esimerkiksi tietyt materiaalit voidaan tunnistaa määrittämällä niiden lämpöominaisuudet DSC:n avulla. Tällöin muun muassa lasittumislämpötila tai 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).sulamislämpötila antaa tietoa siitä, minkä tyyppisestä materiaalista on kyse. Lisäksi STA:n avulla voidaan määrittää yhdisteen tai elastomeerin koostumus. Tuotevian sattuessa lämpöanalyysin avulla voidaan sulkea pois materiaalien sekoittuminen. Sitä voidaan usein käyttää myös osoittamaan materiaalin muutos, joka on tapahtunut polymeerin käytön ja mahdollisen ylikuormituksen seurauksena.

NETZSCH: Differentiaalinen pyyhkäisykalorimetria on yksi yleisimmin käytetyistä termoanalyyttisistä menetelmistä. Missä näet DSC:n vahvuuden sovelluksissasi?

Kirsten Hacker: Rutiinianalyyseissä eli laadunvarmistuksen alalla DSC on erittäin nopea ja luotettava työkalu. Laboratoriossa tehtävät eräkokeet paljastavat välittömästi ja helposti elastomeeriseosten ja kestomuovien sekä niiden yhdisteiden tuotannossa esiintyvät poikkeamat. Lisäksi STA:n avulla voidaan määrittää koostumukset, eli vastaavat suhteet, jotta voidaan seurata reseptien noudattamista.
Määrittämällä sulamislämpötilat, lasittumislämpötilat ja tiivistemateriaalien termiset hajoamislämpötilat voidaan määritellä materiaalien käyttöalueet/rajat tukevasti. DSC:n avulla voidaan kuitenkin testata etukäteen myös uusia materiaaleja tai jopa eri raaka-ainetoimittajaa.

NETZSCH: Rouva Hacker, kiitos paljon kommenteistanne ja mielenkiintoisesta näkemyksestä tiivistystekniikkaan. Odotamme innolla tulevaa hyvää yhteistyötä.