ヒントとコツ

加熱・冷却速度がDSC測定結果に及ぼす影響

定義された加熱速度と冷却速度は、DSC測定にとって重要なパラメータである。

国際規格では、熱力学的平衡を目指す場合、10 K/分または20 K/分の加熱速度を推奨している（ISO 11357、DIN 53765、ASTM E 793、ASTM E 794）。これとは対照的に、ポリマー加工における品質管理および品質保証の目的は、より高い加熱速度（例えば40 K/min）により、意味のある測定結果をより速く得ることである。主な目的は、不合格品サンプルの電流測定を基準サンプルと比較することです。オペレーターは、高い加熱速度で温度校正を実施し、融解ピーク温度の高い値へのシフトを記録しますが、実際のポリマーサンプルのDSC測定が望ましい結果をもたらさないことにしばしば驚かされます。加熱速度が速いため、熱効果がずれてしまい、個々のピークや融解相を確実に分離できなくなるのです。

図1では、半結晶ポリブチレンテレフタレート（PBT）の40K/minという比較的高い加熱速度では、小さな結晶子に見られる典型的なベータ融解相はもはや見られず、むしろ主融解ピーク（ここでは228℃）のみが見られます。材料の同定を試みた場合、ここでは問題の材料がポリアミド6（PA6）であると誤って想定される可能性がある。10K/分という低い加熱速度では、すでに217℃のメインピークからベータ相がはっきりと分離している。これはPBTでは典型的な現象であり、PA6では起こらない。

イントラクーラーまたは液体窒素を用いて融液から制御冷却すると、PBTの結晶化挙動が得られる（図2）。冷却速度が増加するにつれて、凝固開始温度（外挿オンセット温度）と結晶化温度の両方が低い値にシフトする（図3）。冷却速度が増加すると、結晶化ピークは大きくなるだけでなく、より広い温度範囲に広がる。射出成形では、かなり高い冷却速度が採用されますが、DSCは、いつ、あるいはどの温度で、部品を金型から安全に、歪みの危険なく離型できるかという重要な情報をもたらします。