Vinkkejä ja niksejä
Πάντα ῥεῖ (Panta Rhei) "Everything Flows" - Nesteiden lämpöanalyysi
Kirjallisuudesta käy usein ilmi, että kiinteiden aineiden (tiiviit näytteet, jauheet jne.) ja erittäin viskoosien materiaalien (esim. geelit tai tahnat) lisäksi voidaan mitata myös matalaviskoosisia nesteitä.
Tämän artikkelin tarkoituksena on antaa neuvoja siitä, mitkä materiaalin ominaisuudet olisi otettava huomioon näytteen valmistuksessa ja mitä mittausolosuhteita suositellaan tutkimuksissa käytettäväksi. Pääpaino on differentiaalipyyhkäisykalorimetriassa (DSC), termogravimetrisessä analyysissä (TGA) ja laserliekkitekniikassa (LFA).
Differentiaalinen pyyhkäisykalorimetria (DSC):
DSC:ssä näytteen ja upokkaan pohjan välinen kosketus on ratkaisevaa signaalin voimakkuuden kannalta. Monissa nesteissä esiintyy kuitenkin kapillaarista nousua, kun ne joutuvat kosketuksiin upokkaan seinämän kanssa; toisin sanoen muodostuu kovera pinta, ja neste nousee seinämän kohdalla, mikä johtuu nesteen ja kiinteän aineen välisistä adheesiovoimista, jotka ovat voimakkaampia kuin molekyylien väliset adheesiovoimat itse nesteessä. Tämän seurauksena upokkaan pohjalle jää usein vain small määrä ainetta.
Tämän vaikutuksen välttämiseksi on suositeltavaa (ks. kuva 1) lisätä vain small määrä nestettä ruiskulla tai pipetillä niin, että vain pohja peittyy.
Esimerkkinä nestemäisten näytteiden testauksesta kuvassa 2 esitetään butyyliasetaatin, värittömän liuottimen, jonka alkuaineena on C6H12O2, lämpökäyttäytyminen. Kun neste on jäähdytetty -170 °C:seen, muodostuva kiinteä aine pysyy aluksi amorfisena, kiteytyy sitten -109 °C:ssa (huippulämpötila) ja sulaa uudelleen -77 °C:ssa (ekstrapoloitu alkamislämpötila).
Toinen huomioon otettava tekijä on näytteen komponenttien höyrynpaine lämpötilan funktiona. Korkea höyrynpaine avoimissa upokkaissa kuumennuksen aikana johtaa haihtumisen varhaiseen alkamiseen ja leveisiin endotermisiin piikkeihin. Tämä voi aiheuttaa muiden mielenkiintoisten vaikutusten päällekkäisyyttä - kuten joidenkin nestemäisten hartsien tapauksessa.
Puhtaille aineille voidaan määrittää molaarinen haihtumisen entalpia (ja myös haihtumislämpö ottaen huomioon molaarinen massa) höyrynpainemittausten avulla, esim. korkeapaine-DSC:llä (ASTM E 1782:n mukaisesti).
Hermeettisesti suljetuissa alumiiniupokkaissa sisäisen paineen nousu voi lopulta johtaa upokkaan muodonmuutokseen tai jopa puhkeamiseen. Halutusta lämpötila-alueesta ja tutkimuksen tavoitteesta riippuen on siksi joskus tarpeen käyttää upokkaita, jotka ovat paremmin paineistettuja. Alumiinista valmistettujen matalapaineisten upokkaiden lisäksi on saatavilla medium-paineisia ruostumattomasta teräksestä valmistettuja upokkaita tai korkeapaineisia ruostumattomasta teräksestä tai titaanista valmistettuja upokkaita.
Termogravimetrinen analyysi (TGA):
Edellä kuvattu haihtumisen varhainen alkaminen ilmenee massanmuutoksena lämpötilassa, joka on paljon kiehumispisteen alapuolella (kuva 3). Jos taas käytetään kantta, jossa on erittäin suuri small reikä, haihtuminen viivästyy lähelle kiehumispistettä (ks. myös kuva 3). Tällöin massahäviö on huomattavasti nopeampi; vastaava TGA-käyrä on jyrkästi laskeva. Tällaisissa tutkimuksissa voidaan käyttää alumiinikansia, joissa on 50 μm:n reikä.
Kuvassa 3 on kaksi mittausta vedestä: toinen avoimessa upokkaassa (sininen) ja toinen upokkaassa, jossa on mikroaukolla varustettu kansi (punainen). Nämä kaksi käyrän profiilia eroavat toisistaan merkittävästi.
Laser Flash Analysis (LFA):
Lämpödiffuusiokyvyn määrittämiseksi LFA:n avulla käytetään säiliöitä, jotka takaavat näytteen tasaisen paksun kerroksen. Tämä on välttämätöntä, koska näytteen paksuus menee laskentakaavaan neliöinä. Täysin uusi tässä suhteessa on kuvassa 4 esitetty näytteenpidin, joka on erittäin helppokäyttöinen ja jonka mittaustarkkuus ja toistettavuus ovat erittäin hyvät. Näytesäiliö koostuu alhaalta ylöspäin tukirenkaasta, kahdesta ruostumattomasta teräksestä valmistetusta tiivistyslevystä, joiden välissä on muovinen näyterengas, jossa on kaksi syöttöaukkoa nestemäisille näytteille, sekä ylemmästä peitelevystä. Muovirengas ja ruostumattomasta teräksestä valmistetut levyt voidaan vaihtaa edullisesti.
Näytteenotin soveltuu erityisen hyvin vesipohjaisille nesteille, öljyille tai hartseille, mutta myös erittäin viskoosille aineille, kuten rasvoille.
Kuvassa 5 esitetään kolme vedestä tehtyä mittausta, jotka on tehty kuvan 4 tyyppisillä näytteenottimilla lämpötila-alueella RT:stä noin 80/85 °C:een. Arviointi tehtiin jokaiselle käyttäen 3-kerrosmallia. Kaikki testitulosten arvot ovat +/- 5 %:n sisällä kirjallisuuden tiedoista.
Kuvassa 6 esitetään vastaava ilmaisimen signaali sekä mallin sovitus 60 °C:n lämpötilassa. On selvää, että kokeelliset ja sovitetut tiedot ovat hyvässä yhteisymmärryksessä.
