소개
플랫폼 컨셉( NETZSCH-Gerätebau GmbH)
당사의 플랫폼 컨셉은 현재 세 가지 기본 계측기(DSC, STA 및 TMA)로 구성되어 있으며, 각 계측기는 두 가지 모델(F1 및 F3 ). 가스 공급 장치와 함께 이러한 기기의 작동에 필요한 모든 전자 부품은 하나의 통합 하우징에 포함되어 있습니다. 작업자가 퍼니스와 시료 홀더를 빠르고 쉽게 교체할 수 있습니다. 이러한 모듈식 설정은 기기의 외관이 균일할 뿐만 아니라 변화하는 분석 상황에 적응하고 기기 작동 조건에서 필요한 모든 후속 수정 사항을 쉽게 구현할 수 있도록 최대한의 유연성을 제공합니다. 그림 1은 플랫폼 개념을 구성하는 다양한 계측기 버전을 보여줍니다.
세 가지 계측기 유형 모두에 스틸 퍼니스를 사용할 수 있습니다. 이를 통해 시료의 -150°C ~ 1000°C 온도 범위를 커버할 수 있습니다. 이 애플리케이션 노트에서는 이 온도 범위에서 폴리머(열가소성 플라스틱, 엘라스토머) 및 설탕과 같은 결정성 유기 물질에 대한 일반적인 측정 결과에 대해 설명합니다.
STA 449 F1 Jupiter® 강철로 포함
위에서 언급한 다양한 계측기 외에도 동시 열 분석(STA)을 위해 커플링 방법과 같은 여러 가지 추가 기능을 제공할 수 있습니다, PulseTA® 또는 수증기 발생기. 현재 STA 449에는 -150°C~2400°C의 시료 온도 범위를 커버하는 9개의 퍼니스 시스템이 있습니다(그림 2).
측정 조건
이 애플리케이션 노트에는 폴리에틸렌 테르프탈레이트(PET)로 만든 폴리머 필름, 두 개의 엘라스토머 샘플, C6 당인 소르비톨에 대한 측정 결과가 제시되어 있습니다. 모든 조사에는 표준 조건이 사용되었으며, 표 1에 요약되어 있습니다.
표 1: 측정 조건
| 엘라스토머 | PET | 소르비톨 | |
|---|---|---|---|
| 측정 기기 | STA 449 F3 Jupiter® | STA 449 F3 Jupiter® | STA 449 F3 Jupiter® |
| 용광로 유형 | 강철 용광로 | 강철 용광로 | 강철 용광로 |
| 샘플 캐리어 | 팔각형(ASC) | 팔각형(ASC) | 팔각형(ASC) |
| 열전대 | P | P | P |
| 샘플 온도 제어(STC) | Off | 꺼짐 | 꺼짐 |
| 냉각 매개변수 | GN2, 자동 | GN2, 자동 | GN2, 자동 |
| 시료 질량 | 13.493 mg; 12.292 mg | 4.945 mg | 6.724 mg |
| 도가니 재료 | 플래티넘 | 플래티넘 | 플래티넘 |
| 분위기 | 헬륨 | Helium | 헬륨 |
| 가스 유량 | 70 ml/min | 70 ml/min | 70 ml/min |
| 가열/냉각 속도 | 10 K/min | 10 K/min | 10 K/min |
측정 결과
엘라스토머의 특성을 분석하기 위해서는 실온 이하의 범위에서 분석을 수행해야 합니다. 엘라스토머에는 결정 부분이 없기 때문에 이러한 물질에는 녹는점이나 녹는 범위가 존재하지 않습니다. 엘라스토머는 순수한 비정질 고체, 즉 구조화되지 않은 방식으로 응고된 고체입니다. 그러나 DSC를 사용하면 유리 전이 온도를 측정하는 등 재료 특성에 대한 중요한 정보를 얻을 수 있습니다. 이 온도에서는 시료의 기계적 특성이 극적으로 변합니다. 유리 전이 온도(Tg) 이하의 온도에서 비정질 재료는 부서지기 쉽고 깨지기 쉬운 반면, 유리 전이 온도 이상에서는 탄력 있고 유연합니다. 이러한 기계적 물성 변화는 DIL, TMA 또는 DMA와 같은 기계적 테스트 방법을 사용하여 매우 쉽게 측정할 수 있습니다. 이러한 기계적 물성 변화 과정에서 시료의 비열도 변화하기 때문에 시차 주사 열량 측정법(DSC)과 같은 열량 측정법을 사용하여 유리 전이 온도를 측정할 수도 있습니다. DSC 측정 결과에서 유리 전이 온도는 단계로 관찰할 수 있으며, 단계 높이는 비열의 변화를 J/gK 단위로 직접적으로 나타냅니다.
폴리이소프렌(NR, 천연 고무)의 조사에서 유리 전이는 약 -50°C의 온도에서 발생할 것으로 예상됩니다. 그러나 이 유리 전이 온도는 고무 혼합물과 가소제와 같은 첨가제 선택에 따라 달라질 수 있으므로 해당 적용 요건에 맞게 조정할 수 있습니다. 그림 3은 두 가지 엘라스토머 샘플에 대한 유리 전이 온도 측정 결과를 보여줍니다.
반결정성 재료의 경우 결정성 영역(도메인)과 함께 비정질 영역이 존재합니다. 비정질 영역은 위에서 설명한 대로 유리 전이 온도에 따라 특징이 결정되는 반면, 결정질 영역은 용융 거동에 따라 특징이 결정됩니다. 기계적 및 열처리 단계에 따라 비정질 영역과 결정질 영역의 비율이 달라질 수 있으므로 DSC 조사에는 일반적으로 두 가열 세그먼트의 비교가 포함됩니다. 이 두 가열 실행 사이에 샘플은 재료가 새로운 응력 상태에 노출되는 것을 방지하기 위해 제어된 냉각 프로그램을 통해 DSC 기기에서 선형 냉각을 거칩니다. 그림 4는 이 두 가열 세그먼트(빨간색:1차 가열, 녹색:2차 가열)와 두 가열 실행 사이에 수행된 냉각 세그먼트(파란색)의 비교를 보여줍니다.
첫 번째 가열 전에는 투명 PET 필름이 대부분 비정질이었으며, 10K/min의 속도로 진행된 제어 냉각 후 결정 비율이 높아진 것을 명확하게 볼 수 있습니다.
이러한 시료의 주기적 처리에 대한 일반적인 온도-시간 프로파일은 소르비톨 조사에 적용된 그림 5에 나와 있습니다.
소르비톨의 측정 결과는 그림 6에 나와 있습니다. 이 물질은 조사 전에 완전히 결정화되어 있었기 때문에 0°C 전후의 첫 번째 가열(빨간색) 동안에는 유리 전이가 관찰되지 않았습니다. 샘플 용융은 101°C의 최고 온도에서 감지되었습니다. 액체 소르비톨 샘플을 냉각하는 동안(파란색) 결정화는 관찰되지 않았으며, 대신 -3.6°C(중간 지점)에서 유리 전이가 감지된 것처럼 샘플이 무정형으로 응고되었습니다. 두 번째 가열(녹색) 동안 유리 전이가 다시 감지되었습니다(중간점: -0,3°C). 이때 샘플은 완전히 무정형이어서 용융이 일어나지 않았습니다. 10 K/min의 가열 및 냉각 속도에서 주기적인 온도 처리로 인해 시료가 완전히 결정질에서 완전히 비정질 상태로 변화했습니다.
요약
이 측정 예는 주로 고온 범위용으로 설계된 STA도 일반적으로 DSC 204 또는 DSC 200 F1 Phoenix® 또는 DSC 200 마이아(F3 )가 일반적으로 사용되는 시료를 단순히 용광로만 교체하여 분석할 수 있음을 보여줍니다.