Wprowadzenie
Jakość wyników DSC jest często określana już na etapie przygotowania próbki i parametrów pomiaru selectfazy jonowej. Ważną rolę odgrywa tu wybrany tygiel. Zmienne, takie jak materiał, forma, objętość i masa tygla, a także stan pokrywy (tak/nie/otwarta/zamknięta), są ważnymi czynnikami wpływającymi. Pierwsze dwa z nich - materiał i forma tygla - zostaną omówione bardziej szczegółowo w tym artykule.
W przypadku badań DSC tygiel służy przede wszystkim jako pojemnik na próbkę i materiał referencyjny i - podobnie jak w przypadku garnka na kuchence - musi chronić czujnik przed zanieczyszczeniem i rozprowadzać ciepło do próbki lub materiału referencyjnego tak równomiernie, jak to możliwe, bez wchodzenia z nim w reakcję. Dodatkowo, tygiel powinien zapewniać dobry transfer ciepła do czujnika, tak aby można było wykryć nawet najmniejszą zmianę w próbce. Kluczowymi czynnikami są tutaj Przewodność cieplnaPrzewodność cieplna (λ z jednostką W/(m-K)) opisuje transport energii - w postaci ciepła - przez ciało o masie w wyniku gradientu temperatury (patrz rys. 1). Zgodnie z drugą zasadą termodynamiki, ciepło zawsze przepływa w kierunku niższej temperatury.przewodność cieplna materiału tygla i stopień kontaktu między dnem tygla a czujnikiem.
Wysoka przewodność cieplna zapewnia dobry transport ciepła
Przewodność cieplnaPrzewodność cieplna (λ z jednostką W/(m-K)) opisuje transport energii - w postaci ciepła - przez ciało o masie w wyniku gradientu temperatury (patrz rys. 1). Zgodnie z drugą zasadą termodynamiki, ciepło zawsze przepływa w kierunku niższej temperatury.Przewodność cieplna materiału (symbol: λ) opisuje transport energii - w postaci ciepła - przez ciało w oparciu o gradient temperatury. Im wyższa Przewodność cieplnaPrzewodność cieplna (λ z jednostką W/(m-K)) opisuje transport energii - w postaci ciepła - przez ciało o masie w wyniku gradientu temperatury (patrz rys. 1). Zgodnie z drugą zasadą termodynamiki, ciepło zawsze przepływa w kierunku niższej temperatury.przewodność cieplna, tym większa ilość transportowanej energii, a tym samym bardziej efektywna wymiana ciepła.
Przewodność cieplnaPrzewodność cieplna (λ z jednostką W/(m-K)) opisuje transport energii - w postaci ciepła - przez ciało o masie w wyniku gradientu temperatury (patrz rys. 1). Zgodnie z drugą zasadą termodynamiki, ciepło zawsze przepływa w kierunku niższej temperatury.Przewodność cieplna różnych materiałów tygli została podsumowana w tabeli. 1. Potwierdza to, że metale mają wyższą wartość λ niż na przykład ceramika (tlenek glinu) i dlatego są lepszymi przewodnikami ciepła. Przewodność cieplnaPrzewodność cieplna (λ z jednostką W/(m-K)) opisuje transport energii - w postaci ciepła - przez ciało o masie w wyniku gradientu temperatury (patrz rys. 1). Zgodnie z drugą zasadą termodynamiki, ciepło zawsze przepływa w kierunku niższej temperatury.Przewodność cieplna aluminium, wynosząca 237 W/(m-K), jest wyższa niż platyny i znacznie wyższa niż tlenku glinu, ale wciąż znacznie niższa niż złota, miedzi i srebra.
Tabela 1: Dane termofizyczne niektórych typowych materiałów tyglowych w temperaturze RT
Materiał | (W/(m-K)) | Dyfuzyjność cieplna (mm²/s) | (J/(g-K)) |
|---|---|---|---|
| Aluminium | 237(1) | 98.8(3) | 0.9(1) |
| Platyna | 71.6(1) | 25(3) | 0.13(1) |
| Al2O3 (α) | 28(3) | 10.2(2) | 0.76(2) |
| Miedź | 404(1) | 117(3) | 0.39(1) |
| Srebro | 429(1) | 173(3) | 0.23(1) |
| Złoto | 317(1) | 127.2(3) | 0.13(1) |
Rysunek 1 ilustruje powyższe różnice za pomocą trzech różnych pomiarów indu w tyglach aluminiowym, Al2O3 i platynowo-rodowym. Przy tej samej masie próbki i identycznych warunkach, pomiar przeprowadzony w tyglu aluminiowym (czerwona krzywa) wykazał pik largest, a następnie w tyglu Pt/Rh (niebieski). Kropkowana czarna krzywa przedstawia pik smallest i reprezentuje pomiar w tyglu Al2O3. Srebro i złoto tworzą stopy w kontakcie z indem i dlatego nie zostały uwzględnione w tej serii testów.
Dobre właściwości wymiany ciepła metali są odzwierciedlone nie tylko w odpowiednich wysokościach pików, ale także w tak zwanej stałej czasowej. Jest ona definiowana jako czas, jaki sygnał pomiarowy potrzebuje, aby zmniejszyć się od szczytu swojej wartości szczytowej do 1/e intensywności (odpowiada to spadkowi o około 63%). Nawet bez dokładnych danych liczbowych na rysunku 1 można zauważyć, że nachylenie po piku topnienia spada znacznie mniej gwałtownie w przypadku pomiarów przeprowadzonych w tyglu Al2O3 niż w przypadku pomiarów przeprowadzonych w tyglach metalowych. Im węższy pik (np. im krótsza stała czasowa), tym lepiej oddzielone są sąsiednie efekty, a tym samym lepsza rozdzielczość. Kluczowymi czynnikami są tutaj Dyfuzyjność termicznaDyfuzyjność cieplna (a z jednostką mm2/s) to specyficzna dla materiału właściwość charakteryzująca niestałe przewodzenie ciepła. Wartość ta opisuje, jak szybko materiał reaguje na zmianę temperatury.dyfuzyjność termiczna (symbol: a), która wskazuje, jak szybko materiał reaguje na zmianę temperatury oraz masa termiczna (m-Pojemność cieplna właściwa (cp)Pojemność cieplna jest wielkością fizyczną specyficzną dla materiału, określoną przez ilość ciepła dostarczonego do próbki, podzieloną przez wynikający z tego wzrost temperatury. Pojemność cieplna właściwa jest związana z jednostką masy próbki.cp) (dla a i Pojemność cieplna właściwa (cp)Pojemność cieplna jest wielkością fizyczną specyficzną dla materiału, określoną przez ilość ciepła dostarczonego do próbki, podzieloną przez wynikający z tego wzrost temperatury. Pojemność cieplna właściwa jest związana z jednostką masy próbki.cp, patrz także tabela 1).
Rysunek 2 przedstawia rzeczywisty pomiar próbki PET, przeprowadzony w tyglach aluminiowych (tutaj w tyglach Concavus®, niebieska krzywa) oraz w tyglach Al2O3 (czerwona przerywana linia). Pomiar DSC, odzwierciedlający test w tyglach aluminiowych, jest tutaj lepszy od pomiaru w tyglach Al2O3 zarówno pod względem intensywności piku (wyższa), jak i szerokości piku (węższa).
Fakt, że aluminium jest znacznie tańsze niż metale szlachetne, takie jak złoto i srebro, a także nie ma katalitycznego wpływu na materiały organiczne, tak jak miedź (fraza: stabilność oksydacyjna osłon kabli w tyglach miedzianych), sprawił, że aluminium stało się standardowym materiałem do tygli dla polimerów, wielu farmaceutyków i żywności. Temperatura topnienia czystego aluminium wynosi 660,3°C, więc zakres temperatur stosowania tygli aluminiowych jest ograniczony do maksymalnie 610°C.
Kształt tygla - forma podąża za funkcją
Kolejnym czynnikiem optymalizującym transfer ciepła jest dobry kontakt między dnem tygla a czujnikiem. Teoretycznie, idealnie płaskie dno tygla umieszczone na idealnie płaskim czujniku byłoby idealnym połączeniem. Należy jednak wziąć pod uwagę, że nawet powierzchnie metalowe, które są makroskopowo płaskie, składają się z mikroskopijnych wzniesień i wgłębień, które można przypisać chropowatości powierzchni - więc tam, gdzie stykają się płaskie powierzchnie tygla i czujnika, kontakt jest faktycznie nawiązywany tylko w niektórych punktach. Im więcej takich punktów, tym lepszy transfer ciepła.
Ponadto, szczególnie w przypadku tygli o stosunkowo cienkim dnie, nie można lekceważyć tolerancji produkcyjnych. Nawet anomalie small na płaskiej powierzchni dna tygla mogą znacznie zmniejszyć powtarzalność wyników pomiarów dla takich tygli.
Nowym podejściem do sprostania tym wyzwaniom jest nadanie dnu tygla wklęsłego kształtu, tj. celowe utworzenie wklęsłości zewnętrznego dna tygla, co zostało zrealizowane w tyglu Concavus® wykonanym z aluminium (rysunek 3). Po umieszczeniu na płaskim czujniku, skutkuje to równomierną strefą kontaktu w kształcie pierścienia i znacznie poprawia powtarzalność.
Tygiel Concavus® został zaprojektowany specjalnie dla czujnika koronowego DSC 214 Polyma, ale może być również używany w każdym innym urządzeniu NETZSCH DSC lub STA z nośnikiem próbki DSC.
Tygle DSC o wysokości zaledwie kilku milimetrów są zazwyczaj dość płaskie. W związku z tym do otaczającej atmosfery gazowej może być tracona tylko small ilość ciepła, a wpływ na czułość systemu jest odpowiednio pozytywny.
Podsumowanie
Aluminium jest idealnym materiałem do większości zadań pomiarowych w zakresie temperatur do 610°C, ponieważ jego materiał i koszty produkcji są stosunkowo niskie, a jego właściwości materiałowe są nadal bardzo dobre.
Specjalny kształt tygla Concavus® w połączeniu z czujnikiem Corona wyznacza nowe standardy w tej dziedzinie.
Zgodnie z ogólną zasadą, ważne jest, aby zawsze select tygle były wykonane z materiałów, które nie będą wchodzić w interakcje z próbką. O ile to możliwe, tygle metalowe powinny być preferowane do badań DSC ze względu na ich doskonałe właściwości wymiany ciepła.