Introducere
Calitatea rezultatelor DSC este adesea determinată încă din faza de pregătire a probei și de selecție a parametrilor de măsurare. Creuzetul ales joacă un rol important aici. Variabile precum materialul, forma, volumul și masa creuzetului, precum și starea capacului (da/nu/împăturit/închis), sunt factori de influență importanți. Primele două dintre acestea - materialul și forma creuzetului - vor fi discutate mai în detaliu în prezentul articol.
Pentru investigațiile DSC, creuzetul servește în primul rând drept recipient pentru eșantion și materialul de referință și - la fel ca în cazul unei oale pe aragaz - trebuie să protejeze senzorul de contaminare și să distribuie căldura către eșantion sau materialul de referință cât mai uniform posibil, fără a reacționa cu acesta. În plus, creuzetul trebuie să asigure un bun transfer de căldură către senzor, astfel încât să poată fi detectată chiar și cea mai mică modificare a probei. Factorii cruciali în acest sens sunt conductivitatea termică a materialului creuzetului și gradul de contact dintre fundul creuzetului și senzor.
Conductibilitatea termică ridicată asigură un bun transport al căldurii
Conductivitatea termică a unui material (simbol: λ) descrie transportul de energie - sub formă de căldură - printr-un corp pe baza unui gradient de temperatură. Cu cât conductivitatea termică este mai mare, cu atât cantitatea de energie transportată este mai mare și, prin urmare, schimbul de căldură este mai eficient.
Conductivitățile termice ale diferitelor materiale pentru creuzete sunt rezumate în tabel. 1. Acesta confirmă faptul că metalele au o valoare λ mai mare decât, de exemplu, ceramica (alumina) și, prin urmare, sunt conductoare de căldură mai bune. Conductivitatea termică a aluminiului, de 237 W/(m-K), este mai mare decât cea a platinei și mult mai mare decât cea a aluminei, dar încă considerabil mai mică decât cea a aurului, cuprului și argintului.
Tabelul 1: Date termofizice ale unor materiale tipice pentru creuzete la temperatura RT
Material | Conductivitate termică λ (W/(m-K)) | Difuzivitate termică (mm²/s) | (J/(g-K)) |
|---|---|---|---|
| Aluminiu | 237(1) | 98.8(3) | 0.9(1) |
| Platină | 71.6(1) | 25(3) | 0.13(1) |
| Al2O3 (α) | 28(3) | 10.2(2) | 0.76(2) |
| Cupru | 404(1) | 117(3) | 0.39(1) |
| Argint | 429(1) | 173(3) | 0.23(1) |
| Aur | 317(1) | 127.2(3) | 0.13(1) |
Figura 1 ilustrează diferențele menționate anterior prin intermediul a trei măsurători diferite asupra indiului în creuzete de aluminiu, Al2O3 și platină/rhodiu. Cu aceeași masă a probei și în condiții identice, măsurarea efectuată în creuzetul de aluminiu (curba roșie) prezintă cel mai mare vârf, urmată de cea efectuată în creuzetul de platină/rah (albastru). Curba neagră punctată prezintă cel mai mic vârf și reprezintă măsurarea în creuzetul de Al2O3. Argintul și aurul creează aliaje atunci când vin în contact cu indiul și, prin urmare, nu au fost incluse în această serie de teste.
Proprietățile bune de transfer termic ale metalelor sunt reflectate nu numai în înălțimile vârfurilor corespunzătoare, ci și în așa-numita constantă de timp. Aceasta este definită ca timpul necesar unui semnal de măsurare pentru a scădea de la vârful vârfului său la 1/e din intensitate (corespunde unei scăderi de aproximativ 63 %). Chiar și fără date numerice precise, se poate observa în figura 1 că panta care urmează vârfului de Temperaturile și entalpiile de topireEntalpia de fuziune a unei substanțe, cunoscută și sub denumirea de căldură latentă, este o măsură a aportului de energie, de obicei căldură, care este necesară pentru a transforma o substanță din stare solidă în stare lichidă. Punctul de topire al unei substanțe este temperatura la care aceasta își schimbă starea din solid (cristalin) în lichid (topitură izotropică). topire scade mult mai puțin brusc pentru măsurătorile efectuate în creuzetul de Al2O3 decât pentru cele efectuate în creuzetele metalice. Cu cât un vârf este mai îngust (de exemplu, cu cât constanta de timp este mai scurtă), cu atât efectele învecinate sunt mai bine separate și, prin urmare, rezoluția este mai bună. Factorii esențiali în acest caz sunt difuzivitatea termică (simbol: a), care indică cât de repede reacționează un material la o schimbare de temperatură și masa termică (m-Capacitate termică specifică (cp)Capacitatea termică este o mărime fizică specifică materialului, determinată de cantitatea de căldură furnizată specimenului, împărțită la creșterea de temperatură rezultată. Capacitatea termică specifică este raportată la o unitate de masă a specimenului.cp) (pentru a și Capacitate termică specifică (cp)Capacitatea termică este o mărime fizică specifică materialului, determinată de cantitatea de căldură furnizată specimenului, împărțită la creșterea de temperatură rezultată. Capacitatea termică specifică este raportată la o unitate de masă a specimenului.cp, a se vedea și tabelul 1).
Figura 2 prezintă măsurarea unei probe reale de PET, efectuată în creuzete de aluminiu (aici în creuzete Concavus®, curbă albastră) și în creuzete de Al2O3 (linie punctată roșie). DSC, care reflectă testul în creuzete de aluminiu, este superior aici măsurării în creuzete de Al2O3 atât în ceea ce privește intensitatea vârfului (mai mare), cât și lățimea vârfului (mai îngustă).
Faptul că aluminiul este considerabil mai ieftin decât metalele prețioase aur și argint și că, de asemenea, nu are un efect catalitic asupra materialelor organice, așa cum ar avea cuprul (expresie la modă: stabilitatea oxidativă a învelișului cablurilor în creuzete de cupru), au făcut din aluminiu materialul standard pentru creuzete pentru polimeri, multe produse farmaceutice și alimentare. Punctul de Temperaturile și entalpiile de topireEntalpia de fuziune a unei substanțe, cunoscută și sub denumirea de căldură latentă, este o măsură a aportului de energie, de obicei căldură, care este necesară pentru a transforma o substanță din stare solidă în stare lichidă. Punctul de topire al unei substanțe este temperatura la care aceasta își schimbă starea din solid (cristalin) în lichid (topitură izotropică). topire al aluminiului pur este de 660,3°C, astfel încât intervalul de temperatură pentru utilizarea creuzetelor din Al este limitat la maximum 610°C.
Crucible Shape - Forma urmează funcția
Un alt factor de optimizare a transferului de căldură este un contact bun între fundul creuzetului și senzor. Teoretic, un fund de creuzet perfect plan poziționat pe un senzor perfect plan ar fi combinația ideală. Cu toate acestea, trebuie luat în considerare faptul că până și suprafețele metalice care sunt macroscopic plane prezintă ridicături și depresiuni microscopice care pot fi atribuite rugozității suprafeței - astfel, atunci când suprafețele plane ale unui creuzet și ale unui senzor se întâlnesc, contactul se realizează efectiv doar în anumite puncte. Cu cât există mai multe astfel de puncte, cu atât transferul de căldură va fi mai bun.
În plus, în special pentru creuzetele cu un fund relativ subțire, toleranțele de fabricație nu trebuie neglijate. Chiar și small anomalii ale suprafeței plane a fundului unui creuzet pot reduce considerabil reproductibilitatea rezultatelor măsurătorilor pentru astfel de creuzete.
O nouă abordare pentru a face față acestor provocări este de a da o formă concavă fundului creuzetului, adică de a crea în mod deliberat o concavitate interioară a fundului exterior al creuzetului, așa cum s-a realizat în cazul creuzetului Concavus® din aluminiu (figura 3). Atunci când este plasat pe un senzor plat, rezultă o zonă de contact uniformă, în formă de inel și se îmbunătățește considerabil reproductibilitatea.
Creuzetul Concavus® a fost proiectat special pentru senzorul Corona al DSC 214 Polyma, dar poate fi utilizat și în orice alt instrument NETZSCH DSC sau STA cu un suport de probe DSC.
Cu o înălțime de numai câțiva milimetri, creuzetele DSC sunt, în general, destul de plate. Prin urmare, doar o cantitate small de căldură poate fi pierdută în atmosfera de gaz înconjurătoare, iar efectul asupra sensibilității sistemului este în consecință pozitiv.
Rezumat
Aluminiul este materialul de creuzet ideal pentru majoritatea sarcinilor de măsurare în intervalul de temperatură de până la 610°C, deoarece costurile sale de material și de producție sunt relativ scăzute, în timp ce proprietățile sale materiale sunt încă foarte bune.
Forma specială a creuzetului Concavus® în combinație cu senzorul Corona stabilește noi standarde în acest domeniu.
Ca regulă generală, este important să se utilizeze întotdeauna select materiale pentru creuzete care nu vor interacționa cu proba. Ori de câte ori este posibil, creuzetele metalice ar trebui să fie preferate pentru investigațiile DSC datorită proprietăților lor superioare de transfer termic.