Tips en trucs
Invloed van verwarmings- en koelsnelheden op het DSC-meetresultaat
Gedefinieerde verwarmings- en koelsnelheden zijn belangrijke parameters voor DSC-metingen.
Internationale normen bevelen een verwarmingssnelheid van 10 K/min of 20 K/min aan (ISO 11357, DIN 53765, ASTM E 793, ASTM E 794) bij het streven naar thermodynamisch evenwicht. Het doel van kwaliteitscontrole en -borging bij de verwerking van polymeren is daarentegen om sneller zinvolle meetresultaten te verkrijgen door middel van hogere verwarmingssnelheden (bijv. 40 K/min). Het primaire doel is om een stroommeting op een afgekeurd onderdeelmonster te vergelijken met een referentiemonster. De operator voert plichtsgetrouw de temperatuurkalibratie uit bij hogere verwarmingssnelheden en registreert een verschuiving van de smeltpiektemperatuur naar hogere waarden, maar is dan vaak verbaasd dat de DSC-meting op het echte polymeermonster niet het gewenste resultaat oplevert. De hoge verhittingssnelheid zorgt ervoor dat thermische effecten worden verplaatst; individuele pieken of smeltfasen kunnen niet langer betrouwbaar worden gescheiden.
In figuur 1 laat de relatief hoge verhittingssnelheid van 40 K/min voor semi-kristallijn polybutyleentereftalaat (PBT) niet langer de typische bèta-smeltfase zien die in kleinere kristallieten wordt gezien, maar alleen de hoofdsmeltpiek (hier bij 228 °C). Bij een poging tot materiaalidentificatie zou hier ten onrechte kunnen worden aangenomen dat het materiaal in kwestie polyamide 6 (PA 6) is. Bij de lagere verwarmingssnelheid van 10 K/min is de bètafase al duidelijk gescheiden van de hoofdpiek bij 217 °C; dit is typerend voor PBT en komt niet voor bij PA6.
Gecontroleerd afkoelen van de smelt met een intracooler of vloeibare stikstof levert het kristallisatiegedrag van PBT op (figuur 2). Als de afkoelsnelheid toeneemt, verschuiven zowel het begin van de stolling (geëxtrapoleerde begintemperatuur) als de kristallisatietemperatuur naar lagere waarden (figuur 3). Naarmate de koelsnelheid toeneemt, wordt de kristallisatiepiek niet alleen groter, maar breidt zich ook uit over een breder temperatuurbereik. Hoewel bij spuitgieten aanzienlijk hogere koelsnelheden worden gebruikt, geeft DSC belangrijke informatie over wanneer of bij welke temperatuur het onderdeel veilig en zonder gevaar voor vervorming uit het gereedschap kan worden gehaald.
