Introduzione
La qualità dei risultati DSC è spesso determinata già dalla preparazione del campione e dai parametri di misura selectfase ionica. Il crogiolo scelto svolge un ruolo importante. Variabili come il materiale, la forma, il volume e la massa del crogiolo, nonché lo stato del coperchio (sì/no/piegato/chiuso), sono importanti fattori di influenza. I primi due - materiale e forma del crogiolo - saranno discussi in dettaglio in questo articolo.
Per le indagini DSC, il crogiolo serve principalmente come contenitore per il campione e il materiale di riferimento e - proprio come una pentola su un fornello - deve proteggere il sensore dalla contaminazione e distribuire il calore al campione o al materiale di riferimento nel modo più uniforme possibile senza reagire con esso. Inoltre, il crogiolo deve garantire un buon trasferimento di calore al sensore, in modo da poter rilevare anche la minima variazione del campione. I fattori cruciali sono la conducibilità termica del materiale del crogiolo e il grado di contatto tra il fondo del crogiolo e il sensore.
L'elevata conducibilità termica garantisce un buon trasporto del calore
La conducibilità termica di un materiale (simbolo: λ) descrive il trasporto di energia - sotto forma di calore - attraverso un corpo in base a un gradiente di temperatura. Più alta è la Conduttività termicaLa conducibilità termica (λ con unità di misura W/(m-K)) descrive il trasporto di energia - sotto forma di calore - attraverso un corpo di massa come risultato di un gradiente di temperatura (vedi fig. 1). Secondo la seconda legge della termodinamica, il calore fluisce sempre nella direzione della temperatura più bassa.conduttività termica, maggiore è la quantità di energia trasportata e quindi più efficace è lo scambio di calore.
Le conducibilità termiche di vari materiali per crogioli sono riassunte nella tabella. 1. Si conferma che i metalli hanno un valore λ più elevato rispetto, ad esempio, alla ceramica (allumina) e sono quindi migliori conduttori di calore. La conducibilità termica dell'alluminio, pari a 237 W/(m-K), è superiore a quella del platino e di gran lunga a quella dell'allumina, ma è ancora notevolmente inferiore a quella di oro, rame e argento.
Tabella 1: Dati termofisici di alcuni materiali tipici del crogiolo a RT
Materiale | (W/(m-K)) | (mm²/s) | (J/(g-K)) |
|---|---|---|---|
| Alluminio | 237(1) | 98.8(3) | 0.9(1) |
| Platino | 71.6(1) | 25(3) | 0.13(1) |
| Al2O3 (α) | 28(3) | 10.2(2) | 0.76(2) |
| Rame | 404(1) | 117(3) | 0.39(1) |
| Argento | 429(1) | 173(3) | 0.23(1) |
| Oro | 317(1) | 127.2(3) | 0.13(1) |
La Figura 1 illustra le suddette differenze mediante tre diverse misurazioni sull'indio in crogioli di alluminio, Al2O3 e platino/rodio. Con la stessa massa di campione e condizioni altrimenti identiche, la misura effettuata nel crogiolo di alluminio (curva rossa) ha mostrato il largepicco più alto, seguito da quello nel crogiolo di Pt/Rh (blu). La curva nera tratteggiata mostra il picco smallest e rappresenta la misurazione nel crogiolo Al2O3. L'argento e l'oro creano leghe a contatto con l'indio e pertanto non sono stati inclusi in questa serie di test.
Le buone proprietà di trasferimento del calore dei metalli si riflettono non solo nelle altezze dei picchi corrispondenti, ma anche nella cosiddetta costante di tempo. Questa è definita come il tempo necessario a un segnale di misura per diminuire dall'apice del picco a 1/e dell'intensità (corrisponde a un calo di circa il 63%). Anche senza dati numerici precisi, si può notare nella figura 1 che la pendenza che segue il picco diTemperature di fusione ed entalpieL'entalpia di fusione di una sostanza, nota anche come calore latente, è una misura dell'apporto di energia, tipicamente calore, necessario per convertire una sostanza dallo stato solido a quello liquido. Il punto di fusione di una sostanza è la temperatura alla quale essa cambia stato da solido (cristallino) a liquido (fusione isotropa). fusione diminuisce molto meno bruscamente per le misure condotte nel crogiolo di Al2O3 rispetto a quelle condotte nei crogioli metallici. Quanto più stretto è il picco (ad esempio, quanto più breve è la costante di tempo), tanto meglio vengono separati gli effetti vicini e quindi la risoluzione è migliore. Fattori fondamentali sono la Diffusività termicaLa diffusività termica (a con unità di misura mm2/s) è una proprietà specifica del materiale per caratterizzare la conduzione termica instabile. Questo valore descrive la velocità con cui un materiale reagisce a una variazione di temperatura.diffusività termica (simbolo: a), che indica la velocità di reazione di un materiale a una variazione di temperatura e la massa termica (m-Capacità termica specifica (cp)La capacità termica è una grandezza fisica specifica del materiale, determinata dalla quantità di calore fornita al campione, divisa per l'aumento di temperatura risultante. La capacità termica specifica è correlata all'unità di massa del campione.cp) (per a e Capacità termica specifica (cp)La capacità termica è una grandezza fisica specifica del materiale, determinata dalla quantità di calore fornita al campione, divisa per l'aumento di temperatura risultante. La capacità termica specifica è correlata all'unità di massa del campione.cp, si veda anche la tabella 1).
La Figura 2 mostra una misura reale del campione di PET, eseguita in crogioli di alluminio (qui in crogioli Concavus®, curva blu) e in crogioli di Al2O3 (linea rossa tratteggiata). Il DSC, che riflette il test in crogioli di alluminio, è superiore alla misura in crogioli di Al2O3 sia in termini di intensità del picco (più alta) che di larghezza del picco (più stretta).
Il fatto che l'alluminio sia notevolmente meno costoso dei metalli preziosi oro e argento e che non abbia un effetto catalitico sui materiali organici, come invece farebbe il rame (frase di moda: stabilità ossidativa delle guaine dei cavi in crogioli di rame), ha fatto sì che l'alluminio diventasse il materiale standard per i crogioli di polimeri, molti prodotti farmaceutici e alimentari. Il Temperature di fusione ed entalpieL'entalpia di fusione di una sostanza, nota anche come calore latente, è una misura dell'apporto di energia, tipicamente calore, necessario per convertire una sostanza dallo stato solido a quello liquido. Il punto di fusione di una sostanza è la temperatura alla quale essa cambia stato da solido (cristallino) a liquido (fusione isotropa).punto di fusione dell'alluminio puro è di 660,3°C, quindi l'intervallo di temperatura per l'utilizzo dei crogioli di Al è limitato a un massimo di 610°C.
Forma del crogiolo - La forma segue la funzione
Un altro fattore per ottimizzare il trasferimento di calore è il buon contatto tra il fondo del crogiolo e il sensore. In teoria, un fondo di crogiolo perfettamente piano posizionato su un sensore perfettamente piano sarebbe la combinazione ideale. Bisogna però considerare che anche le superfici metalliche macroscopicamente piane presentano microscopiche elevazioni e depressioni dovute alla rugosità della superficie, per cui quando le superfici piane di un crogiolo e di un sensore si incontrano, il contatto avviene solo in alcuni punti. Maggiore è il numero di questi punti, migliore sarà il trasferimento di calore.
Inoltre, soprattutto per i crogioli con un fondo relativamente sottile, le tolleranze di fabbricazione non devono essere trascurate. Anche small anomalie nella superficie piana del fondo di un crogiolo possono ridurre notevolmente la riproducibilità dei risultati di misura per tali crogioli.
Un nuovo approccio per affrontare queste sfide consiste nel conferire una forma concava al fondo del crogiolo, ossia nel creare deliberatamente una concavità verso l'interno del fondo del crogiolo esterno, come realizzato nel crogiolo Concavus® in alluminio (figura 3). Se collocato su un sensore piatto, si ottiene una zona di contatto uniforme e a forma di anello, migliorando notevolmente la riproducibilità.
Il crogiolo Concavus® è stato progettato appositamente per il sensore Corona del DSC 214 Polyma, ma può essere utilizzato anche in qualsiasi altro strumento DSC o STA NETZSCH con un portacampioni DSC.
Con un'altezza di pochi millimetri, i crogioli DSC sono generalmente piuttosto piatti. Pertanto, solo una small quantità di calore può essere dispersa nell'atmosfera gassosa circostante e l'effetto sulla sensibilità del sistema è di conseguenza positivo.
Sintesi
L'alluminio è il materiale ideale per la maggior parte dei compiti di misura nell'intervallo di temperatura fino a 610°C, poiché i suoi costi di materiale e di produzione sono relativamente bassi e le sue proprietà sono ancora molto buone.
La forma speciale del crogiolo Concavus® in combinazione con il sensore Corona stabilisce nuovi standard in questo campo.
Come regola generale, è importante che i materiali del crogiolo select non interagiscano con il campione. Quando possibile, i crogioli metallici dovrebbero essere preferiti per le indagini DSC, grazie alle loro superiori proprietà di trasferimento del calore.