
Introdução
A qualidade dos resultados de DSC geralmente é determinada logo na preparação da amostra e no parâmetro de medição selectfase iônica. O cadinho escolhido desempenha um papel importante aqui. Variáveis como o material, a forma, o volume e a massa do cadinho, bem como o status da tampa (sim/não/perfurada/fechada), são fatores de influência importantes. Os dois primeiros - material e forma do cadinho - serão discutidos em mais detalhes neste artigo.
Para investigações de DSC, o cadinho serve principalmente como um recipiente para a amostra e o material de referência e, assim como uma panela em um fogão, deve proteger o sensor contra contaminação e distribuir o calor para a amostra ou o material de referência da forma mais uniforme possível, sem reagir com ele. Além disso, o cadinho deve proporcionar uma boa transferência de calor para o sensor, de modo que até mesmo a menor alteração na amostra possa ser detectada. Os fatores cruciais aqui são a Condutividade térmicaA condutividade térmica (λ com a unidade W/(m-K)) descreve o transporte de energia - na forma de calor - por um corpo de massa como resultado de um gradiente de temperatura (veja a fig. 1). De acordo com a segunda lei da termodinâmica, o calor sempre flui na direção da temperatura mais baixa.condutividade térmica do material do cadinho e o grau de contato entre o fundo do cadinho e o sensor.
A alta condutividade térmica proporciona um bom transporte de calor
A Condutividade térmicaA condutividade térmica (λ com a unidade W/(m-K)) descreve o transporte de energia - na forma de calor - por um corpo de massa como resultado de um gradiente de temperatura (veja a fig. 1). De acordo com a segunda lei da termodinâmica, o calor sempre flui na direção da temperatura mais baixa.condutividade térmica de um material (símbolo: λ) descreve o transporte de energia - na forma de calor - por um corpo com base em um gradiente de temperatura. Quanto maior for a Condutividade térmicaA condutividade térmica (λ com a unidade W/(m-K)) descreve o transporte de energia - na forma de calor - por um corpo de massa como resultado de um gradiente de temperatura (veja a fig. 1). De acordo com a segunda lei da termodinâmica, o calor sempre flui na direção da temperatura mais baixa.condutividade térmica, maior será a quantidade de energia transportada e, portanto, mais eficaz será a troca de calor.
As condutividades térmicas de vários materiais de cadinho estão resumidas na tabela. 1. Ela confirma que os metais têm um valor λ mais alto do que, por exemplo, a cerâmica (alumina) e, portanto, são melhores condutores de calor. A Condutividade térmicaA condutividade térmica (λ com a unidade W/(m-K)) descreve o transporte de energia - na forma de calor - por um corpo de massa como resultado de um gradiente de temperatura (veja a fig. 1). De acordo com a segunda lei da termodinâmica, o calor sempre flui na direção da temperatura mais baixa.condutividade térmica do alumínio, de 237 W/(m-K), é mais alta do que a da platina e muito mais alta do que a da alumina, mas ainda consideravelmente mais baixa do que a do ouro, do cobre e da prata.
Tabela 1: Dados termofísicos de alguns materiais típicos de cadinhos à temperatura ambiente
Material | (W/(m-K)) | (mm²/s) | (J/(g-K)) |
---|---|---|---|
Alumínio | 237(1) | 98.8(3) | 0.9(1) |
Platina | 71.6(1) | 25(3) | 0.13(1) |
Al2O3 (α) | 28(3) | 10.2(2) | 0.76(2) |
Cobre | 404(1) | 117(3) | 0.39(1) |
Prata | 429(1) | 173(3) | 0.23(1) |
Ouro | 317(1) | 127.2(3) | 0.13(1) |
A Figura 1 ilustra as diferenças mencionadas acima por meio de três medições diferentes de índio em cadinhos de alumínio, Al2O3 e platina/ródio. Com a mesma massa de amostra e condições idênticas, a medição realizada no cadinho de alumínio (curva vermelha) exibiu o largeprimeiro pico, seguido pelo do cadinho de Pt/Rh (azul). A curva preta pontilhada exibe o smallmelhor pico e representa a medição no cadinho de Al2O3. A prata e o ouro criam ligas quando entram em contato com o índio e, portanto, não foram incluídos nessa série de testes.
As boas propriedades de transferência de calor dos metais são refletidas não apenas nas alturas de pico correspondentes, mas também na chamada constante de tempo. Isso é definido como a quantidade de tempo que um sinal de medição precisa para diminuir do topo de seu pico para 1/e da intensidade (corresponde a um declínio de aproximadamente 63%). Mesmo sem dados numéricos precisos, pode-se ver na figura 1 que a inclinação após o pico de Temperaturas e entalpias de fusãoA entalpia de fusão de uma substância, também conhecida como calor latente, é uma medida da entrada de energia, normalmente calor, necessária para converter uma substância do estado sólido para o líquido. O ponto de fusão de uma substância é a temperatura na qual ela muda de estado, passando do sólido (cristalino) para o líquido (fusão isotrópica). fusão diminui muito menos acentuadamente para a medição realizada no cadinho de Al2O3 do que para aquelas realizadas nos cadinhos de metal. Quanto mais estreito for um pico (por exemplo, quanto mais curta for a constante de tempo), melhor será a separação dos efeitos vizinhos e, portanto, melhor será a resolução. Os fatores essenciais aqui são a Difusividade térmicaA difusividade térmica (a com a unidade mm2/s) é uma propriedade específica do material para caracterizar a condução de calor instável. Esse valor descreve a rapidez com que um material reage a uma mudança de temperatura.difusividade térmica (símbolo: a), que indica a rapidez com que um material reage a uma mudança de temperatura e a massa térmica (m-Capacidade térmica específica (cp)A capacidade térmica é uma quantidade física específica do material, determinada pela quantidade de calor fornecida à amostra, dividida pelo aumento de temperatura resultante. A capacidade de calor específica está relacionada a uma unidade de massa do corpo de prova.cp) (para a e Capacidade térmica específica (cp)A capacidade térmica é uma quantidade física específica do material, determinada pela quantidade de calor fornecida à amostra, dividida pelo aumento de temperatura resultante. A capacidade de calor específica está relacionada a uma unidade de massa do corpo de prova.cp, consulte também a tabela 1).

A Figura 2 mostra uma medição de amostra real em PET, realizada em cadinhos de alumínio (aqui em cadinhos Concavus®, curva azul) e em cadinhos de Al2O3 (linha pontilhada vermelha). O DSC, que reflete o teste em cadinhos de alumínio, é superior aqui à medição em cadinhos de Al2O3, tanto em termos de intensidade de pico (maior) quanto de largura de pico (mais estreita).
O fato de o alumínio ser consideravelmente mais barato do que os metais preciosos ouro e prata e de também não ter um efeito catalítico em materiais orgânicos, como o cobre (frase da moda: estabilidade oxidativa do revestimento de cabos em cadinhos de cobre), fez com que o alumínio se tornasse o material padrão de cadinhos para polímeros, muitos produtos farmacêuticos e alimentos. O Temperaturas e entalpias de fusãoA entalpia de fusão de uma substância, também conhecida como calor latente, é uma medida da entrada de energia, normalmente calor, necessária para converter uma substância do estado sólido para o líquido. O ponto de fusão de uma substância é a temperatura na qual ela muda de estado, passando do sólido (cristalino) para o líquido (fusão isotrópica).ponto de fusão do alumínio puro é de 660,3°C, portanto, a faixa de temperatura para o uso de cadinhos de Al é limitada a um máximo de 610°C.

Forma do cadinho - A forma segue a função
Outro fator para otimizar a transferência de calor é o bom contato entre o fundo do cadinho e o sensor. Teoricamente, um fundo de cadinho perfeitamente plano posicionado em um sensor perfeitamente plano seria a combinação ideal. No entanto, é preciso levar em consideração que até mesmo as superfícies metálicas que são macroscopicamente planas consistem em elevações e depressões microscópicas atribuíveis à rugosidade da superfície - portanto, quando as superfícies planas de um cadinho e de um sensor se juntam, o contato só é realmente feito em determinados pontos. Quanto mais pontos houver, melhor será a transferência de calor.
Além disso, especialmente no caso de cadinhos com fundo relativamente fino, as tolerâncias de fabricação não devem ser desconsideradas. Até mesmo small anomalias na superfície plana do fundo de um cadinho podem reduzir consideravelmente a reprodutibilidade dos resultados de medição para esses cadinhos.
Uma nova abordagem para enfrentar esses desafios é dar uma forma côncava ao fundo do cadinho, ou seja, criar deliberadamente uma concavidade interna do fundo externo do cadinho, conforme realizado no cadinho Concavus® feito de alumínio (figura 3). Quando colocado sobre um sensor plano, isso resulta em uma zona de contato uniforme, em forma de anel, e melhora consideravelmente a reprodutibilidade.

O cadinho Concavus® foi projetado especialmente para o sensor Corona do DSC 214 Polyma, mas também pode ser usado em qualquer outro instrumento NETZSCH DSC ou STA com um suporte de amostra DSC.
Com apenas alguns milímetros de altura, os cadinhos de DSC geralmente são bastante planos. Portanto, apenas uma small quantidade de calor pode ser perdida para a atmosfera de gás circundante, e o efeito sobre a sensibilidade do sistema é correspondentemente positivo.
Resumo
O alumínio é o material de cadinho ideal para a maioria das tarefas de medição na faixa de temperatura de até 610°C, uma vez que seus custos de material e produção são relativamente baixos e suas propriedades materiais ainda são muito boas.
O formato especial do cadinho Concavus® em combinação com o sensor Corona estabelece novos padrões nesse campo.
Como regra geral, é importante sempre select materiais de cadinho que não interajam com a amostra. Sempre que possível, os cadinhos de metal devem ser preferidos para investigações de DSC devido às suas propriedades superiores de transferência de calor.