Wprowadzenie
Koncepcja platformy w NETZSCH-Gerätebau GmbH
Nasza koncepcja platformy składa się obecnie z trzech podstawowych przyrządów (DSC, STA i TMA), z których każdy jest dostępny w dwóch różnych modelach (F1 i F3 ). Wszystkie komponenty elektroniczne niezbędne do obsługi tych przyrządów wraz z jednostką zasilania gazem znajdują się w jednej, zintegrowanej obudowie. Piece i uchwyty na próbki mogą być szybko i łatwo wymieniane przez operatora. Ta modułowa konfiguracja nie tylko nadaje przyrządom jednolity wygląd, ale także zapewnia maksymalną elastyczność w dostosowywaniu się do zmieniających się sytuacji analitycznych i ułatwia wdrażanie wszelkich niezbędnych modyfikacji w warunkach pracy przyrządu. Rysunek 1 przedstawia różne wersje przyrządów składające się na koncepcję platformy.
Piec stalowy jest dostępny dla wszystkich trzech typów urządzeń. Pozwala to na pokrycie zakresu temperatur od -150°C do 1000°C na próbce. Niniejsza nota aplikacyjna omawia wyniki pomiarów typowe dla tego zakresu temperatur dla polimerów (termoplastów, elastomerów) i krystalicznych substancji organicznych, takich jak cukier.
STA 449 F1 Jupiter® z piecem stalowym
Oprócz wyżej wymienionych wariantów przyrządów, do jednoczesnej analizy termicznej (STA) można dostarczyć szereg dodatków, takich jak metody sprzęgania, PulseTA® lub generator pary wodnej. Obecnie dostępnych jest dziewięć systemów pieców dla STA 449, obejmujących zakres temperatur od -150°C do 2400°C na próbce (rysunek 2).
Warunki pomiaru
W niniejszej nocie aplikacyjnej przedstawiono wyniki pomiarów dla folii polimerowej wykonanej z politereftalanu etylenu (PET), dwóch próbek elastomeru i sorbitolu - cukru C6. We wszystkich badaniach zastosowano standardowe warunki; zostały one podsumowane w tabeli 1.
Tabela 1: Warunki pomiaru
| Elastomer | PET | Sorbitol | |
|---|---|---|---|
| Przyrząd pomiarowy | STA 449 F3 Jupiter® | STA 449 F3 Jupiter® | STA 449 F3 Jupiter® |
| Typ pieca | Piec stalowy | Piec stalowy | Piec stalowy |
| Nośnik próbki | Ośmiokątny (ASC) | Ośmiokątny (ASC) | Ośmiokątny (ASC) |
| Termopara | P | P | P |
| Kontrola temperatury próbki (STC) | Wył | Wył | Wył |
| Parametry chłodzenia | GN2, auto | GN2, auto | GN2, auto |
| Masa próbki | 13.493 mg; 12.292 mg | 4.945 mg | 6.724 mg |
| Materiał tygla | Platyna | Platyna | Platyna |
| Atmosfera | Hel | Hel | Hel |
| Natężenie przepływu gazu | 70 ml/min | 70 ml/min | 70 ml/min |
| Szybkość ogrzewania/chłodzenia | 10 K/min | 10 K/min | 10 K/min |
Wyniki pomiarów
Aby scharakteryzować elastomery, konieczne jest przeprowadzenie analiz w zakresie poniżej temperatury pokojowej. Ponieważ elastomery nie mają żadnych części krystalicznych, dla tych substancji nie istnieje Temperatury i entalpie topnieniaEntalpia syntezy substancji, znana również jako ciepło utajone, jest miarą nakładu energii, zazwyczaj ciepła, która jest niezbędna do przekształcenia substancji ze stanu stałego w ciekły. Temperatura topnienia substancji to temperatura, w której zmienia ona stan ze stałego (krystalicznego) na ciekły (stopiony izotropowo).temperatura topnienia ani zakres topnienia. Elastomery są czysto amorficznymi ciałami stałymi, tj. takimi, które zestaliły się w nieuporządkowany sposób. Za pomocą DSC można jednak uzyskać ważne informacje o właściwościach materiału - na przykład poprzez określenie temperatury zeszklenia. W tej temperaturze właściwości mechaniczne próbki zmieniają się dramatycznie. W temperaturach poniżej temperatury zeszklenia (Tg), materiał amorficzny jest kruchy i delikatny; powyżej temperatury zeszklenia, z drugiej strony, jest elastyczny i giętki. Tę zmianę właściwości mechanicznych można bardzo łatwo zmierzyć za pomocą metod badań mechanicznych, takich jak DIL, TMA lub DMA. Ponieważ ciepło właściwe próbki również zmienia się podczas tej zmiany właściwości mechanicznych, do określenia temperatury zeszklenia można również zastosować metodę kaloryczną, taką jak różnicowa kalorymetria skaningowa (DSC). W wynikach pomiarów DSC temperaturę zeszklenia można zaobserwować jako stopień; wysokość stopnia jest bezpośrednim wskaźnikiem zmiany ciepła właściwego, w jednostkach J/gK.
W badaniach nad poliizoprenem (NR, kauczuk naturalny) oczekuje się, żePunkt przecięciaW teście reologicznym, takim jak przemiatanie częstotliwości lub przemiatanie czas/temperatura, punkt przecięcia jest wygodnym punktem odniesienia wskazującym punkt "przejścia" próbki. przejście szkliste nastąpi w temperaturze około -50 ° C. Ta Temperatura zeszkleniaPrzejście szkliste jest jedną z najważniejszych właściwości materiałów amorficznych i półkrystalicznych, np. szkieł nieorganicznych, metali amorficznych, polimerów, farmaceutyków i składników żywności itp. i opisuje obszar temperatury, w którym właściwości mechaniczne materiałów zmieniają się z twardych i kruchych na bardziej miękkie, odkształcalne lub gumowate.temperatura zeszklenia może się jednak różnić w zależności od mieszanki gumy i selectjonów dodatków, takich jak plastyfikatory, i dlatego może być dostosowana do odpowiednich wymagań aplikacji. Rysunek 3 przedstawia wyniki oznaczenia temperatury zeszklenia dla dwóch próbek elastomeru.
W przypadku materiałów półkrystalicznych obszary amorficzne istnieją obok obszarów krystalicznych (domen). Obszary amorficzne są charakteryzowane za pomocą temperatury zeszklenia, jak opisano powyżej, podczas gdy obszary krystaliczne są charakteryzowane przez ich zachowanie podczas topnienia. Ponieważ etapy obróbki mechanicznej i termicznej mogą zmieniać stosunek obszaru amorficznego do krystalicznego, badania DSC zwykle obejmują porównanie dwóch segmentów ogrzewania. Pomiędzy tymi dwoma cyklami nagrzewania próbki poddawane są liniowemu chłodzeniu w urządzeniu DSC za pomocą kontrolowanego programu chłodzenia, aby uniknąć poddawania materiału nowym stanom naprężeń. Rysunek 4 przedstawia porównanie tych dwóch segmentów grzania (czerwony: 1. grzanie, zielony:2. grzanie) wraz z segmentem chłodzenia (niebieski), który został przeprowadzony pomiędzy dwoma cyklami grzania.
Wyraźnie widać, że przezroczysta folia PET była largely amorficzna przed pierwszym ogrzewaniem i charakteryzowała się wyższym udziałem krystalicznym po kontrolowanym chłodzeniu, które odbywało się z prędkością 10 K/min.
Typowy profil temperaturowo-czasowy dla takiej cyklicznej obróbki próbki przedstawiono na rysunku 5 zastosowanym do badania sorbitolu.
Wyniki pomiarów dla sorbitolu przedstawiono na rysunku 6. Substancja była w pełni krystaliczna przed badaniem, dlatego nie zaobserwowano przejścia szklistego podczas pierwszego ogrzewania (kolor czerwony) w zakresie około 0°C. Topnienie próbki wykryto w szczytowej temperaturze 101°C. Podczas chłodzenia próbki ciekłego sorbitolu (niebieski) nie zaobserwowano krystalizacji; zamiast tego próbka zestaliła się amorficznie, na co wskazuje wykrycie przejścia szklistego w temperaturze -3,6°C (punkt środkowy). Podczas drugiego ogrzewania (kolor zielony) ponownie wykrytoPunkt przecięciaW teście reologicznym, takim jak przemiatanie częstotliwości lub przemiatanie czas/temperatura, punkt przecięcia jest wygodnym punktem odniesienia wskazującym punkt "przejścia" próbki. przejście szkliste (punkt środkowy: -0,3°C); do tego czasu próbka była całkowicie amorficzna, a zatem nie wykazywała topnienia. Cykliczna obróbka temperaturowa przy szybkości ogrzewania i chłodzenia 10 K/min spowodowałaPunkt przecięciaW teście reologicznym, takim jak przemiatanie częstotliwości lub przemiatanie czas/temperatura, punkt przecięcia jest wygodnym punktem odniesienia wskazującym punkt "przejścia" próbki. przejście próbki ze stanu całkowicie krystalicznego do całkowicie amorficznego.
Podsumowanie
Przykłady pomiarów pokazują, że nawet urządzenie STA - zaprojektowane głównie do pracy w wysokich temperaturach - jest w stanie analizować próbki, do których normalnie użyto by DSC 204 lub DSC 200 F1 Phoenix® lub DSC 200 F3 Maia byłyby normalnie używane, po prostu poprzez zmianę pieca.