Inleiding
Het platformconcept bij NETZSCH-Gerätebau GmbH
Ons platformconcept bestaat momenteel uit drie basisinstrumenten (DSC, STA en TMA), die elk verkrijgbaar zijn in twee verschillende modellen (F1 en F3 ). Alle elektronische componenten die nodig zijn voor de werking van deze instrumenten zitten samen met de gastoevoer in één geïntegreerde behuizing. De ovens en monsterhouders kunnen snel en eenvoudig uitgewisseld worden door de operator. Deze modulaire opzet zorgt niet alleen voor een uniforme uitstraling van de instrumenten, maar biedt ook maximale flexibiliteit voor het aanpassen aan veranderende analysesituaties en voor het vergemakkelijken van de implementatie van alle daaruit voortvloeiende wijzigingen die nodig zijn in de werkomstandigheden van het instrument. Figuur 1 toont de verschillende instrumentversies waaruit het platformconcept bestaat.
Een stalen oven is beschikbaar voor alle drie de instrumenttypes. Hiermee kan een temperatuurbereik van -150 °C tot 1000 °C bij het monster worden bestreken. Deze toepassingsnotitie bespreekt meetresultaten die typisch zijn in dit temperatuurbereik voor polymeren (thermoplasten, elastomeren) en kristallijne organische stoffen, zoals suiker.
STA 449 F1 Jupiter® met staaloven
Naast de hierboven genoemde instrumentvarianten zijn er een aantal uitbreidingen leverbaar voor simultane thermische analyse (STA), zoals koppelmethoden, PulseTA® of de waterdampgenerator. Er zijn momenteel negen ovensystemen beschikbaar voor de STA 449, die een temperatuurbereik bestrijken van -150°C tot 2400°C bij het monster (afbeelding 2).
Meetomstandigheden
De meetresultaten voor een polymeerfilm gemaakt van polyethyleentereftalaat (PET), twee elastomeermonsters en sorbitol - een C6-suiker - worden in deze toepassingsnotitie gepresenteerd. Voor alle onderzoeken werden standaardcondities gebruikt; deze zijn samengevat in tabel 1.
Tabel 1: Meetomstandigheden
| Elastomeer | PET | Sorbitol | |
|---|---|---|---|
| Meetinstrument | STA 449 F3 Jupiter® | STA 449 F3 Jupiter® | STA 449 F3 Jupiter® |
| Type oven | Staaloven | Staaloven | Staaloven |
| Monster drager | Achthoekig (ASC) | Achthoekig (ASC) | Achthoekig (ASC) |
| Thermokoppel | P | P | P |
| Temperatuurregeling monster (STC) | Uit | Uit | Uit |
| Koelparameters | GN2, automatisch | GN2, automatisch | GN2, auto |
| Monstermassa | 13.493 mg; 12.292 mg | 4.945 mg | 6.724 mg |
| Materiaal kroes | Platina | Platina | Platina |
| Atmosfeer | Helium | Helium | Helium |
| Gasstroom | 70 ml/min | 70 ml/min | 70 ml/min |
| Opwarm-/koelsnelheid | 10 K/min | 10 K/min | 10 K/min |
Meetresultaten
Om elastomeren te karakteriseren, is het noodzakelijk om de analyses uit te voeren in een bereik onder kamertemperatuur. Aangezien elastomeren geen kristallijne delen hebben, bestaat er geen Smelttemperaturen en -getallenDe enthalpie van fusie van een stof, ook wel latente warmte genoemd, is een maat voor de energie-input, meestal warmte, die nodig is om een stof om te zetten van vaste naar vloeibare toestand. Het smeltpunt van een stof is de temperatuur waarbij de toestand verandert van vast (kristallijn) naar vloeibaar (isotroop smeltpunt).smeltpunt of smelttraject voor deze stoffen. Elastomeren zijn puur amorfe vaste stoffen, d.w.z. vaste stoffen die op een ongestructureerde manier gestold zijn. Met behulp van DSC kan echter belangrijke informatie over de materiaaleigenschappen worden verkregen, bijvoorbeeld door de glasovergangstemperatuur te bepalen. Bij deze temperatuur veranderen de mechanische eigenschappen van het monster dramatisch. Bij temperaturen onder de glasovergangstemperatuur (Tg) is een amorf materiaal bros en breekbaar; boven de glasovergangstemperatuur is het daarentegen elastisch en flexibel. Deze verandering in mechanische eigenschappen kan heel gemakkelijk gemeten worden met mechanische testmethodes zoals DIL, TMA of DMA. Omdat de soortelijke warmte van een monster ook verandert tijdens deze verandering in mechanische eigenschappen, kan een calorische methode zoals differentiële scanning calorimetrie (DSC) ook worden gebruikt om de glasovergangstemperatuur te bepalen. In de DSC-meetresultaten kan de glasovergangstemperatuur worden waargenomen als een stap; de staphoogte is een directe indicatie van de verandering in soortelijke warmte, in eenheden van J/gK.
In het onderzoek naar polyisopreen (NR, natuurlijk rubber) treedt de glasovergang naar verwachting op bij een temperatuur van ongeveer -50°C. Deze glasovergangstemperatuur kan echter variëren afhankelijk van het rubbermengsel en de keuze van additieven zoals weekmakers. Deze glasovergangstemperatuur kan echter variëren, afhankelijk van het rubbermengsel en de keuze van additieven zoals weekmakers, en kan daarom worden aangepast aan de betreffende toepassingseisen. Figuur 3 toont de resultaten van de bepaling van de glasovergangstemperatuur voor twee elastomeermonsters.
Bij semikristallijne materialen bestaan er amorfe gebieden naast kristallijne gebieden (domeinen). De amorfe gebieden worden gekarakteriseerd door middel van de glasovergangstemperatuur zoals hierboven beschreven, terwijl de kristallijne gebieden worden gekarakteriseerd door hun smeltgedrag. Omdat mechanische en thermische behandelingsstappen de verhouding tussen het amorfe en kristallijne gebied kunnen veranderen, worden bij DSC-onderzoeken meestal twee verwarmingssegmenten vergeleken. Tussen deze twee verhittingssegmenten ondergaan de monsters lineaire afkoeling in het DSC-instrument door middel van een gecontroleerd koelprogramma om te voorkomen dat het materiaal aan nieuwe spanningstoestanden wordt blootgesteld. Figuur 4 toont de vergelijking van deze twee verhittingssegmenten (rood:1e verhitting, groen:2e verhitting), samen met het afkoelsegment (blauw) dat tussen de twee verhittingssegmenten werd uitgevoerd.
Het is duidelijk te zien dat de transparante PET-film grotendeels amorf was vóór de eerste verhitting en dat deze werd gekenmerkt door een hoger kristallijn aandeel na de gecontroleerde afkoeling die plaatsvond met een snelheid van 10 K/min.
Een typisch temperatuur-tijdprofiel voor een dergelijke cyclische behandeling van een monster wordt weergegeven in figuur 5, toegepast voor het onderzoek van sorbitol.
De meetresultaten voor sorbitol worden weergegeven in figuur 6. De stof was volledig kristallijn voor het onderzoek, daarom werd er geen glasovergang waargenomen tijdens de eerste verhitting (rood) in het bereik rond 0°C. Het Smelttemperaturen en -getallenDe enthalpie van fusie van een stof, ook wel latente warmte genoemd, is een maat voor de energie-input, meestal warmte, die nodig is om een stof om te zetten van vaste naar vloeibare toestand. Het smeltpunt van een stof is de temperatuur waarbij de toestand verandert van vast (kristallijn) naar vloeibaar (isotroop smeltpunt). smelten van het monster werd waargenomen bij een piektemperatuur van 101°C. Tijdens het afkoelen van het vloeibare sorbitolmonster (blauw) werd geen KristallisatieKristallisatie is het fysieke proces van verharding tijdens de vorming en groei van kristallen. Tijdens dit proces komt kristallisatiewarmte vrij.kristallisatie waargenomen; in plaats daarvan stolde het monster amorf, zoals aangegeven door detectie van de glasovergang bij -3,6 °C (middelpunt). Tijdens de tweede verhitting (groen) werd de glasovergang opnieuw gedetecteerd (middelpunt: -0,3°C); het monster was toen volledig amorf en vertoonde dus geen smelt. De cyclische temperatuurbehandeling met verwarmings- en koelsnelheden van 10 K/min zorgde ervoor dat het monster veranderde van een volledig kristallijne in een volledig amorfe toestand.
Samenvatting
De meetvoorbeelden tonen aan dat zelfs een STA - die voornamelijk ontworpen is voor het hoge temperatuurbereik - in staat is om monsters te analyseren waarvoor normaal gesproken een DSC 204 F1 Phoenix® of een DSC 200 F3 Maia normaal gesproken gebruikt zou worden, simpelweg door de oven te verwisselen.