Tips en trucs
Πάντα ῥεῖ (Panta Rhei) "Alles stroomt" - Thermische analyse van vloeistoffen
In de literatuur is vaak te zien dat - naast vaste stoffen (compacte monsters, poeders, etc.) en hoogviskeuze materialen (bijv. gels of pasta's) - ook vloeistoffen met een lage viscositeit gemeten kunnen worden.
Het doel van dit artikel is om advies te geven over met welke materiaaleigenschappen rekening moet worden gehouden bij de monstervoorbereiding en welke meetomstandigheden worden aanbevolen voor het onderzoek. De nadruk ligt op Differential Scanning Calorimetry (DSC), Thermogravimetric Analysis (TGA) en de Laser Flash Technique (LFA).
Differentiële scanning calorimetrie (DSC):
Bij DSC is contact tussen het monster en de bodem van de kroes cruciaal voor de signaalintensiteit. Veel vloeistoffen vertonen echter capillaire opstijging bij contact met de wand van de kroes; d.w.z. er wordt een hol oppervlak gevormd en de vloeistof wordt opgetild aan de wand, door adhesiekrachten tussen de vloeistof en de vaste stof die sterker zijn dan de intermoleculaire adhesiekrachten in de vloeistof zelf. Als gevolg hiervan blijft er vaak slechts een small hoeveelheid substantie achter op de bodem van de kroes.
Om dit effect te omzeilen, is het raadzaam (zie fig. 1) om slechts een hoeveelheid van small vloeistof in te brengen door middel van een injectie of pipet, zodat alleen de bodem bedekt is.
Als voorbeeld voor het testen van vloeibare monsters toont figuur 2 het thermische gedrag van butylacetaat, een kleurloos oplosmiddel met de elementaire formule C6H12O2. Na het afkoelen van de vloeistof tot -170°C blijft de vaste stof die gevormd wordt eerst amorf, kristalliseert dan bij -109°C (piektemperatuur) en smelt weer bij -77°C (geëxtrapoleerde begintemperatuur).
Een andere factor waarmee rekening moet worden gehouden is de dampdruk van de monstercomponenten als functie van de temperatuur. Een hoge dampdruk in open smeltkroezen tijdens verhitting leidt tot een vroeg begin van VerdampingDe verdamping van een element of verbinding is een faseovergang van de vloeibare fase naar damp. Er bestaan twee soorten verdamping: verdamping en koken.verdamping en tot brede endotherme pieken. Dit kan leiden tot andere interessante effecten, zoals het geval is bij sommige vloeibare harsen.
Voor zuivere stoffen kan de molaire verdampingsenthalpie (en ook de verdampingswarmte met inachtneming van de molaire massa) worden bepaald door middel van dampdrukmetingen, bijvoorbeeld met een DSC onder hoge druk (in overeenstemming met ASTM E 1782).
Bij hermetisch afgesloten aluminium kroezen kan interne drukopbouw uiteindelijk leiden tot vervorming of zelfs barsten van de kroes. Afhankelijk van het gewenste temperatuurbereik en het doel van het onderzoek is het daarom soms nodig om kroezen te gebruiken die beter onder druk staan. Naast lagedrukkroezen van aluminium zijn er ook medium roestvrijstalen kroezen of hogedrukkroezen van roestvrij staal of titanium verkrijgbaar.
Thermogravimetrische analyse (TGA):
Het hierboven beschreven vroege begin van VerdampingDe verdamping van een element of verbinding is een faseovergang van de vloeibare fase naar damp. Er bestaan twee soorten verdamping: verdamping en koken.verdamping manifesteert zich als een massaverandering bij een temperatuur ver onder het kookpunt (fig. 3). Aan de andere kant, als een deksel met een extreem gat small wordt gebruikt, zal de VerdampingDe verdamping van een element of verbinding is een faseovergang van de vloeibare fase naar damp. Er bestaan twee soorten verdamping: verdamping en koken.verdamping worden uitgesteld tot dicht bij het kookpunt (zie ook fig. 3). Het massaverlies zelf gaat in dit geval aanzienlijk sneller; de corresponderende TGA-curve vertoont een scherpe neerwaartse helling. Voor dit soort onderzoek kunnen aluminium deksels met een gat van 50 μm worden gebruikt.
In figuur 3 worden twee metingen aan water getoond: één in een open kroes (blauw), de andere in een kroes met een deksel met een microgaatje (rood). De twee curveprofielen verschillen significant van elkaar.
Laser Flash Analysis (LFA):
Voor het bepalen van de Thermische diffusieThermische diffusie (a met de eenheid mm2/s) is een materiaalspecifieke eigenschap voor het karakteriseren van onstabiele warmtegeleiding. Deze waarde beschrijft hoe snel een materiaal reageert op een verandering in temperatuur.thermische diffusie door middel van LFA worden containers gebruikt die een gelijkmatige laagdikte van het monster garanderen. Dit is nodig omdat de dikte van het monster in het kwadraat in de berekeningsformule wordt opgenomen. Gloednieuw in dit opzicht is de monsterhouder getoond in figuur 4, met zeer eenvoudige bediening, hoge meetnauwkeurigheid en hoge reproduceerbaarheid. Van onder naar boven bestaat de monsterhouder uit een draagring, twee afdichtingsschijven van roestvast staal met een tussenliggende kunststof monsterring met twee invoeropeningen voor vloeibare monsters, en een bovenste afdekplaat. De kunststof ring en roestvrijstalen schijven kunnen tegen lage kosten worden vervangen.
De monsterhouder is vooral geschikt voor vloeistoffen op waterbasis, oliën of harsen, maar ook voor zeer viskeuze materialen zoals vetten.
Figuur 5 toont drie metingen aan water, uitgevoerd met verschillende monsterhouders van het type dat in figuur 4 getoond wordt in het temperatuurbereik van RT tot ongeveer 80/85°C. De evaluatie werd telkens uitgevoerd met een 3-lagenmodel. Alle testresultaten liggen binnen+/- 5% van de literatuurgegevens.
Figuur 6 toont het overeenkomstige detectorsignaal samen met een model fit bij 60°C. Het is duidelijk dat de experimentele en aangepaste gegevens goed overeenkomen.
