Introduction
La qualité des résultats de la DSC est souvent déterminée dès la phase de préparation de l'échantillon et de sélection des paramètres de mesure. Le creuset choisi joue un rôle important à cet égard. Des variables telles que le matériau, la forme, le volume et la masse du creuset, ainsi que l'état du couvercle (oui/non/piercé/fermé), sont des facteurs d'influence importants. Les deux premiers - le matériau et la forme du creuset - seront examinés plus en détail dans cet article.
Pour les études DSC, le creuset sert principalement de récipient pour l'échantillon et le matériau de référence et - comme pour une casserole sur une cuisinière - il doit protéger le capteur de la contamination et distribuer la chaleur à l'échantillon ou au matériau de référence aussi uniformément que possible sans réagir avec eux. En outre, le creuset doit assurer un bon transfert de chaleur vers le capteur afin que la moindre modification de l'échantillon puisse être détectée. La conductivité thermique du matériau du creuset et le degré de contact entre le fond du creuset et le capteur sont des facteurs cruciaux à cet égard.
Conductibilité thermique élevée assurant un bon transport de la chaleur
La conductivité thermique d'un matériau (symbole : λ) décrit le transport d'énergie - sous forme de chaleur - à travers un corps en fonction d'un gradient de température. Plus la conductivité thermique est élevée, plus la quantité d'énergie transportée est importante et plus l'échange de chaleur est efficace.
Les conductivités thermiques de divers matériaux pour creusets sont résumées dans le tableau. 1. Il confirme que les métaux ont une valeur λ plus élevée que, par exemple, les céramiques (alumine) et sont donc de meilleurs conducteurs de chaleur. La conductivité thermique de l'aluminium, avec 237 W/(m-K), est plus élevée que celle du platine et bien plus élevée que celle de l'alumine, mais reste nettement inférieure à celle de l'or, du cuivre et de l'argent.
Tableau 1 : Données thermophysiques de quelques matériaux typiques de creusets à température ambiante
Matériau | Conductivité thermique λ (W/(m-K)) | Diffusion thermique (mm²/s) | (J/(g-K)) |
|---|---|---|---|
| Aluminium | 237(1) | 98.8(3) | 0.9(1) |
| Platine | 71.6(1) | 25(3) | 0.13(1) |
| Al2O3 (α) | 28(3) | 10.2(2) | 0.76(2) |
| Cuivre | 404(1) | 117(3) | 0.39(1) |
| Argent | 429(1) | 173(3) | 0.23(1) |
| Or | 317(1) | 127.2(3) | 0.13(1) |
La figure 1 illustre les différences susmentionnées au moyen de trois mesures différentes sur l'indium dans des creusets d'aluminium, d'Al2O3 et de platine/rhodium. Avec la même masse d'échantillon et des conditions par ailleurs identiques, la mesure effectuée dans le creuset en aluminium (courbe rouge) présente le pic le plus important, suivie de celle effectuée dans le creuset en platine/rhodium (bleu). La courbe noire en pointillés présente le plus petit pic et représente la mesure effectuée dans le creuset en Al2O3. L'argent et l'or créent des alliages au contact de l'indium et n'ont donc pas été inclus dans cette série de tests.
Les bonnes propriétés de transfert de chaleur des métaux se reflètent non seulement dans la hauteur des pics correspondants, mais aussi dans ce que l'on appelle la constante de temps. Celle-ci est définie comme le temps nécessaire à un signal de mesure pour passer du sommet de son pic à 1/e de l'intensité (ce qui correspond à une baisse d'environ 63 %). Même sans données numériques précises, la figure 1 montre que la pente qui suit le pic de Températures et enthalpies de fusionL'enthalpie de fusion d'une substance, également connue sous le nom de chaleur latente, est une mesure de l'apport d'énergie, généralement de la chaleur, nécessaire pour convertir une substance de l'état solide à l'état liquide. Le point de fusion d'une substance est la température à laquelle elle passe de l'état solide (cristallin) à l'état liquide (fusion isotrope). fusion diminue beaucoup moins fortement pour les mesures effectuées dans le creuset d'Al2O3 que pour celles effectuées dans les creusets métalliques. Plus un pic est étroit (par exemple, plus la constante de temps est courte), mieux les effets voisins sont séparés et, par conséquent, meilleure est la résolution. Les facteurs essentiels sont la diffusivité thermique (symbole : a), qui indique la rapidité avec laquelle un matériau réagit à un changement de température, et la masse thermique (m-Capacité thermique spécifique (cp)La capacité thermique est une grandeur physique spécifique au matériau, déterminée par la quantité de chaleur fournie à l'échantillon, divisée par l'augmentation de température qui en résulte. La capacité thermique spécifique est liée à une unité de masse de l'échantillon.cp) (pour a et Capacité thermique spécifique (cp)La capacité thermique est une grandeur physique spécifique au matériau, déterminée par la quantité de chaleur fournie à l'échantillon, divisée par l'augmentation de température qui en résulte. La capacité thermique spécifique est liée à une unité de masse de l'échantillon.cp, voir également le tableau 1).
La figure 2 montre une mesure sur un échantillon réel de PET, effectuée dans des creusets en aluminium (ici dans des creusets Concavus®, courbe bleue) et dans des creusets en Al2O3 (ligne pointillée rouge). La DSC, qui reflète l'essai dans des creusets en aluminium, est ici supérieure à la mesure dans des creusets en Al2O3, à la fois en termes d'intensité du pic (plus élevée) et de largeur du pic (plus étroite).
Le fait que l'aluminium soit considérablement moins cher que les métaux précieux que sont l'or et l'argent et qu'il n'ait pas d'effet catalytique sur les matériaux organiques, comme le ferait le cuivre (phrase à la mode : stabilité à l'OxydationL'oxydation peut décrire différents processus dans le contexte de l'analyse thermique.oxydation des gaines de câbles dans les creusets en cuivre), a fait de l'aluminium le matériau de creuset standard pour les polymères, de nombreux produits pharmaceutiques et les denrées alimentaires. Le Températures et enthalpies de fusionL'enthalpie de fusion d'une substance, également connue sous le nom de chaleur latente, est une mesure de l'apport d'énergie, généralement de la chaleur, nécessaire pour convertir une substance de l'état solide à l'état liquide. Le point de fusion d'une substance est la température à laquelle elle passe de l'état solide (cristallin) à l'état liquide (fusion isotrope).point de fusion de l'aluminium pur est de 660,3°C, de sorte que la plage de température pour l'utilisation des creusets en aluminium est limitée à un maximum de 610°C.
Forme du creuset - La forme suit la fonction
Un autre facteur d'optimisation du transfert de chaleur est le bon contact entre le fond du creuset et le capteur. Théoriquement, un fond de creuset parfaitement plan placé sur un capteur parfaitement plan serait la combinaison idéale. Il faut toutefois tenir compte du fait que même les surfaces métalliques macroscopiquement planes présentent des élévations et des dépressions microscopiques attribuables à la rugosité de la surface - ainsi, lorsque les surfaces planes d'un creuset et d'un capteur se rencontrent, le contact n'a lieu qu'en certains points. Plus ces points sont nombreux, meilleur sera le transfert de chaleur.
En outre, les tolérances de fabrication ne doivent pas être négligées, en particulier pour les creusets dont le fond est relativement mince. Même des anomalies sur la surface plane du fond d'un creuset ( small ) peuvent réduire considérablement la reproductibilité des résultats de mesure pour de tels creusets.
Une nouvelle approche pour relever ces défis consiste à donner une forme concave au fond du creuset, c'est-à-dire à créer délibérément une concavité vers l'intérieur du fond extérieur du creuset, comme cela a été réalisé dans le creuset Concavus® en aluminium (figure 3). Lorsqu'il est placé sur un capteur plat, il en résulte une zone de contact uniforme en forme d'anneau, ce qui améliore considérablement la reproductibilité.
Le creuset Concavus® a été conçu spécialement pour le capteur Corona du DSC 214 Polyma, mais il peut également être utilisé dans tout autre instrument DSC ou STA NETZSCH doté d'un porte-échantillon DSC.
Avec une hauteur de quelques millimètres seulement, les creusets DSC sont généralement assez plats. Par conséquent, seule une quantité de chaleur de small peut être perdue dans l'atmosphère gazeuse environnante, et l'effet sur la sensibilité du système est par conséquent positif.
Résumé
L'aluminium est le matériau de creuset idéal pour la plupart des tâches de mesure dans la plage de température allant jusqu'à 610°C, car ses coûts de matériau et de production sont relativement faibles, tandis que ses propriétés matérielles restent très bonnes.
La forme spéciale du creuset Concavus®, associée au capteur Corona, établit de nouvelles normes dans ce domaine.
En règle générale, il est important de toujours select des matériaux de creuset qui n'interagissent pas avec l'échantillon. Dans la mesure du possible, les creusets métalliques doivent être privilégiés pour les études DSC en raison de leurs propriétés supérieures de transfert de chaleur.