
소개
DSC 결과의 품질은 종종 샘플 준비 및 측정 파라미터 선택 단계에서 결정됩니다. 이때 선택한 도가니가 중요한 역할을 합니다. 도가니의 재질, 형태, 부피 및 질량, 뚜껑의 상태(예/아니오/ 뚫림/닫힘)와 같은 변수가 중요한 영향을 미치는 요소입니다. 이 중 처음 두 가지, 즉 도가니의 재질과 형태에 대해서는 이 글에서 자세히 설명합니다.
DSC 조사에서 도가니는 주로 시료와 기준 물질을 담는 용기 역할을 하며, 스토브의 냄비와 마찬가지로 센서가 오염되지 않도록 보호하고 시료 또는 기준 물질과 반응하지 않고 가능한 한 고르게 열을 분산시켜야 합니다. 또한 도가니는 시료의 미세한 변화도 감지할 수 있도록 센서에 열을 잘 전달해야 합니다. 여기서 중요한 요소는 도가니 재료의 열전도율과 도가니 바닥과 센서 사이의 접촉 정도입니다.
높은 열전도율로 우수한 열 수송 제공
물질의 열전도도(기호: λ)는 온도 구배에 따라 열의 형태로 물질을 통해 전달되는 에너지의 양을 나타냅니다. 열전도율이 높을수록 운반되는 에너지의 양이 많아져 열 교환이 더 효과적입니다.
다양한 도가니 재료의 열전도율이 표에 요약되어 있습니다. 1. 금속은 예를 들어 세라믹(알루미나)보다 λ 값이 더 높기 때문에 더 나은 열전도체라는 것을 확인할 수 있습니다. 알루미늄의 열전도율은 237W/(m-K)로 백금보다 높고 알루미나보다 훨씬 높지만 금, 구리, 은보다는 여전히 상당히 낮습니다.
표1: RT에서 몇 가지 일반적인 도가니 재료의 열물리 데이터
재료 | 열 전도성 λ (W/(m-K)) | 열 확산성 (mm²/s) | (J/(g-K)) |
---|---|---|---|
알루미늄 | 237(1) | 98.8(3) | 0.9(1) |
플래티넘 | 71.6(1) | 25(3) | 0.13(1) |
Al2O3 (α) | 28(3) | 10.2(2) | 0.76(2) |
구리 | 404(1) | 117(3) | 0.39(1) |
은 | 429(1) | 173(3) | 0.23(1) |
금 | 317(1) | 127.2(3) | 0.13(1) |
그림 1은 알루미늄, Al2O3 및 백금/로듐 도가니에서 인듐에 대한 세 가지 다른 측정을 통해 위에서 언급한 차이점을 보여줍니다. 동일한 시료 질량과 동일한 조건에서 알루미늄 도가니(빨간색 곡선)에서 측정한 결과 가장 큰 피크가 나타났고, 그 다음이 백금/로듐 도가니(파란색)에서 측정한 결과였습니다. 점선으로 표시된 검은색 곡선은 가장 작은 피크를 나타내며 Al2O3 도가니에서의 측정값을 나타냅니다. 은과 금은 인듐과 접촉할 때 합금을 생성하므로 이 테스트 시리즈에는 포함되지 않았습니다.
금속의 우수한 열 전달 특성은 해당 피크 높이뿐만 아니라 소위 시간 상수에도 반영됩니다. 이는 측정 신호가 최고 피크에서 강도의 1/e까지 감소하는 데 필요한 시간으로 정의됩니다(약 63% 감소에 해당). 정확한 수치 데이터가 없더라도 그림 1에서 금속 도가니에서 수행한 측정보다 Al2O3 도가니에서 수행한 측정에서 용융 피크 이후의 기울기가 훨씬 덜 급격히 감소하는 것을 볼 수 있습니다. 피크가 좁을수록(예: 시간 상수가 짧을수록) 인접 효과가 더 잘 분리되므로 해상도가 향상됩니다. 여기서 중요한 요소는 재료가 온도 변화에 얼마나 빨리 반응하는지를 나타내는 열 확산도(기호: a)와 열 질량(m-비열 용량(cp)열용량은 시료에 공급된 열량을 결과 온도 상승으로 나눈 물질별 물리량으로, 시료에 공급된 열량에 의해 결정됩니다. 비열 용량은 시료의 단위 질량과 관련이 있습니다.cp)입니다(a 및비열 용량(cp)열용량은 시료에 공급된 열량을 결과 온도 상승으로 나눈 물질별 물리량으로, 시료에 공급된 열량에 의해 결정됩니다. 비열 용량은 시료의 단위 질량과 관련이 있습니다.cp에 대해서는 표 1 참조).

그림 2는 알루미늄 도가니(여기서는 Concavus® 도가니, 파란색 곡선)와 Al2O3 도가니(빨간색 점선)에서 수행한 PET의 실제 샘플 측정 결과를 보여줍니다. 알루미늄 도가니에서의 테스트를 반영하는 DSC는 피크 강도(더 높음)와 피크 폭(더 좁음) 측면에서 모두 Al2O3 도가니에서의 측정보다 우수합니다.
알루미늄이 귀금속인 금과 은보다 훨씬 저렴하고 구리처럼 유기 물질에 촉매 효과가 없다는 사실(유행어: 구리 도가니에서 케이블 피복의 산화 안정성)로 인해 알루미늄은 폴리머, 많은 의약품 및 식품의 표준 도가니 재료로 자리 잡았습니다. 순수 알루미늄의 녹는점은 660.3°C이므로 알루미늄 도가니의 사용 온도 범위는 최대 610°C로 제한됩니다.

도가니 모양 - 형태는 기능을 따릅니다
열 전달을 최적화하는 또 다른 요소는 도가니 바닥과 센서 사이의 양호한 접촉입니다. 이론적으로는 완벽하게 평평한 도가니 바닥이 완벽하게 평평한 센서 위에 놓이는 것이 가장 이상적인 조합입니다. 그러나 거시적으로 평면인 금속 표면도 표면 거칠기로 인한 미세한 융기 및 함몰로 구성되어 있으므로 도가니와 센서의 평면 표면이 만나는 지점에서 실제로는 특정 지점에서만 접촉이 이루어진다는 점을 고려해야 합니다. 이러한 지점이 많을수록 열 전달이 더 잘 이루어집니다.
또한, 특히 바닥이 상대적으로 얇은 도가니의 경우 제조 공차를 무시해서는 안 됩니다. 도가니 바닥의 평면 표면의 small 이상도 이러한 도가니에 대한 측정 결과의 재현성을 상당히 떨어뜨릴 수 있습니다.
이러한 문제를 해결하기 위한 새로운 접근 방식은 알루미늄으로 만든 도가니( Concavus® )에서 실현된 것처럼 도가니 바닥에 오목한 모양을 부여하는 것, 즉 외부 도가니 바닥에 의도적으로 안쪽으로 오목한 홈을 만드는 것입니다(그림 3). 평평한 센서 위에 놓으면 고리 모양의 고른 접촉 영역이 만들어지고 재현성이 크게 향상됩니다.

Concavus® 도가니는 DSC 214 Polyma 의 코로나 센서용으로 특별히 설계되었지만, DSC 샘플 캐리어가 있는 다른 모든 NETZSCH DSC 또는 STA 기기에서도 사용할 수 있습니다.
높이가 몇 밀리미터에 불과한 DSC 도가니는 일반적으로 매우 평평합니다. 따라서 주변 가스 대기로 손실되는 열은 small 정도에 불과하며, 시스템의 감도에 미치는 영향은 그에 따라 긍정적입니다.
요약
알루미늄은 재료 및 생산 비용이 상대적으로 저렴하면서도 물성이 매우 우수하기 때문에 610°C까지의 온도 범위에서 대부분의 측정 작업에 이상적인 도가니 소재입니다.
코로나 센서와 결합된 Concavus® 도가니의 특별한 형태는 이 영역에서 새로운 표준을 제시합니다.
일반적으로 샘플과 상호 작용하지 않는 도가니 재료를 항상 select 사용하는 것이 중요합니다. 가능하면 열 전달 특성이 우수한 금속 도가니를 DSC 조사에 사용하는 것이 좋습니다.