Bevezetés
A DSC-eredmények minőségét gyakran már a mintaelőkészítés és a mérési paraméterek kiválasztásának fázisában meghatározzák. A kiválasztott tégely itt fontos szerepet játszik. Az olyan változók, mint a tégely anyaga, formája, térfogata és tömege, valamint a fedél állapota (igen/nem/behajtva/zárva) fontos befolyásoló tényezők. Ezek közül az első kettőt - a tégely anyagát és formáját - ebben a cikkben részletesebben tárgyaljuk.
A DSC-vizsgálatoknál a tégely elsősorban a minta és a referenciaanyag tárolására szolgál, és - akárcsak a tűzhelyen lévő edény esetében - meg kell védenie az érzékelőt a szennyeződéstől, valamint a lehető legegyenletesebben kell eloszlatnia a hőt a minta vagy a referenciaanyag felé anélkül, hogy reakcióba lépne vele. Ezenkívül a tégelynek jó hőátadást kell biztosítania az érzékelő felé, hogy a minta legkisebb változása is érzékelhető legyen. Itt döntő tényező a tégely anyagának hővezető képessége, valamint a tégely alja és az érzékelő közötti érintkezés mértéke.
A magas hővezető képesség jó hőszállítást biztosít
Egy anyag hővezető képessége (jele: λ) az energia - hő formájában történő - szállítását írja le egy testben a hőmérséklet-gradiens alapján. Minél nagyobb a Hővezető képességA hővezető képesség (λ, mértékegysége W/(m-K)) az energia - hő formájában történő - szállítását írja le egy tömegtestben a hőmérséklet-gradiens hatására (lásd az 1. ábrát). A termodinamika második törvénye szerint a hő mindig az alacsonyabb hőmérséklet irányába áramlik.hővezető képesség, annál nagyobb a szállított energia mennyisége és ezáltal annál hatékonyabb a hőcsere.
A különböző tégelyanyagok hővezetési tényezőit a táblázat foglalja össze. 1. Megerősíti, hogy a fémek nagyobb λ-értékkel rendelkeznek, mint például a kerámiák (timföld), és ezért jobb hővezetők. Az alumínium 237 W/(m-K) hővezető képessége magasabb, mint a platináé, és jóval magasabb, mint a timföldé, de még mindig jelentősen alacsonyabb, mint az aranyé, a rézé és az ezüsté.
1. táblázat: Néhány tipikus tégelyanyag termofizikai adatai RT-nél
Anyag | (W/(m-K)) | (mm²/s) | (J/(g-K)) |
|---|---|---|---|
| Alumínium | 237(1) | 98.8(3) | 0.9(1) |
| Platina | 71.6(1) | 25(3) | 0.13(1) |
| Al2O3 (α) | 28(3) | 10.2(2) | 0.76(2) |
| Réz | 404(1) | 117(3) | 0.39(1) |
| Ezüst | 429(1) | 173(3) | 0.23(1) |
| Arany | 317(1) | 127.2(3) | 0.13(1) |
Az 1. ábra a fent említett különbségeket három különböző, alumínium, Al2O3 és platina/ródium tégelyben lévő indiummal végzett mérésekkel szemlélteti. Azonos mintatömeg és egyébként azonos feltételek mellett az alumíniumtégelyben végzett mérés (piros görbe) mutatta a legnagyobb csúcsot, amelyet a Pt/Rh tégelyben végzett mérés (kék) követett. A szaggatott fekete görbe mutatja a legkisebb csúcsot, és az Al2O3 tégelyben végzett mérést jelenti. Az ezüst és az arany az indiummal érintkezve ötvözetet képez, ezért nem szerepeltek ebben a vizsgálatsorozatban.
A fémek jó hőátadási tulajdonságai nemcsak a megfelelő csúcsmagasságokban, hanem az úgynevezett időállandóban is tükröződnek. Ezt úgy határozzák meg, hogy mennyi időre van szükség ahhoz, hogy a mérési jel a csúcspontjától az intenzitás 1/e-ed részére csökkenjen (ez kb. 63 %-os csökkenésnek felel meg). Pontos számadatok nélkül is látható az 1. ábrán, hogy az olvadási csúcsot követő meredekség sokkal kevésbé meredeken csökken az Al2O3 tégelyben végzett méréseknél, mint a fémtégelyekben végzett méréseknél. Minél keskenyebb egy csúcs (pl. minél rövidebb az időállandó), annál jobban elkülönülnek a szomszédos hatások, és ezért annál jobb a felbontás. Kulcsfontosságú tényezők itt a Termikus diffúziós képességA hővezető képesség (a mm2/s egységgel) egy anyagspecifikus tulajdonság, amely az instacionárius hővezetés jellemzésére szolgál. Ez az érték azt írja le, hogy egy anyag milyen gyorsan reagál a hőmérsékletváltozásra.termikus diffúziós képesség (szimbólum: a), amely azt jelzi, hogy egy anyag milyen gyorsan reagál a hőmérsékletváltozásra, valamint a termikus tömeg (m-Fajlagos hőkapacitás (cp)A hőkapacitás egy anyagspecifikus fizikai mennyiség, amelyet a mintadarabba juttatott hőmennyiség és az ebből eredő hőmérséklet-emelkedés hányadosa határoz meg. A fajlagos hőkapacitás a minta egységnyi tömegére vonatkozik.cp) (az a és Fajlagos hőkapacitás (cp)A hőkapacitás egy anyagspecifikus fizikai mennyiség, amelyet a mintadarabba juttatott hőmennyiség és az ebből eredő hőmérséklet-emelkedés hányadosa határoz meg. A fajlagos hőkapacitás a minta egységnyi tömegére vonatkozik.cp értékeket lásd még az 1. táblázatban).
A 2. ábra egy valós PET-mintán végzett mérést mutat, amelyet alumíniumtégelyben (itt Concavus® tégelyben, kék görbe) és Al2O3 tégelyben (piros szaggatott vonal) végeztünk. Az alumíniumtégelyekben végzett vizsgálatot tükröző DSC itt mind a csúcsintenzitás (nagyobb), mind a csúcsszélesség (keskenyebb) tekintetében jobb, mint az Al2O3 tégelyekben végzett mérés.
Az a tény, hogy az alumínium lényegesen olcsóbb, mint a nemesfémek, az arany és az ezüst, és hogy nem gyakorol katalitikus hatást a szerves anyagokra, mint a réz (divatos kifejezés: a kábelburkolat oxidatív stabilitása réz tégelyekben), az alumíniumot a polimerek, számos gyógyszer és élelmiszer standard tégelyanyagává tette. A tiszta alumínium olvadáspontja 660,3 °C, így az alumíniumtégelyek használatának hőmérsékleti tartománya legfeljebb 610 °C-ra korlátozódik.
Tégelyforma - A forma követi a funkciót
A hőátadás optimalizálásának másik tényezője a tégely alja és az érzékelő közötti jó kapcsolat. Elméletileg egy tökéletesen sík tégelyfenék egy tökéletesen sík érzékelőre helyezve ideális kombináció lenne. Figyelembe kell azonban venni, hogy még a makroszkopikusan sík fémfelületek is tartalmaznak a felületi érdességnek tulajdonítható mikroszkopikus kiemelkedéseket és mélyedéseket - így ahol a tégely és az érzékelő sík felületei találkoznak, ott csak bizonyos pontokon jön létre tényleges érintkezés. Minél több ilyen pont van, annál jobb lesz a hőátadás.
Ezenkívül, különösen a viszonylag vékony aljú tégelyek esetében, a gyártási tűréseket sem szabad figyelmen kívül hagyni. Még a small tégelyfenék sík felületének rendellenességei is jelentősen csökkenthetik az ilyen tégelyek mérési eredményeinek reprodukálhatóságát.
E kihívások megoldásának új megközelítése a tégely aljának homorú alakot kölcsönözni, azaz a külső tégely aljának szándékosan befelé irányuló homorúságát létrehozni, ahogyan azt a Concavus® alumíniumból készült tégelyben megvalósították (3. ábra). Egy lapos érzékelőre helyezve ez egyenletes, gyűrű alakú érintkezési zónát eredményez, és jelentősen javítja a reprodukálhatóságot.
A Concavus® tégelyt kifejezetten a DSC 214 Polyma Corona érzékelőjéhez tervezték, de bármely más NETZSCH DSC vagy STA DSC mintatartóval rendelkező műszerben is használható.
A mindössze néhány milliméter magas DSC-tégelyek általában meglehetősen laposak. Ezért csak small mennyiségű hő veszhet el a környező gázlégkörbe, és ennek megfelelően a rendszer érzékenységére gyakorolt hatás is pozitív.
Összefoglaló
Az alumínium az ideális tégelyanyag a legtöbb mérési feladathoz a 610 °C-ig terjedő hőmérséklet-tartományban, mivel anyag- és gyártási költségei viszonylag alacsonyak, miközben anyagtulajdonságai még mindig nagyon jók.
A Concavus® tégely különleges formája a Corona érzékelővel kombinálva új mércét állít fel ezen a területen.
Általános szabályként fontos, hogy mindig olyan select tégelyanyagokat használjunk, amelyek nem lépnek kölcsönhatásba a mintával. Ahol csak lehetséges, a DSC-vizsgálatokhoz a fémtégelyeket kell előnyben részesíteni a kiváló hőátadási tulajdonságaik miatt.