Введение
Концепция платформы NETZSCH-Gerätebau GmbH
В настоящее время наша концепция платформы состоит из трех основных приборов (ДСК, СТА и ТМА), каждый из которых выпускается в двух различных моделях (F1 и F3 ). Все электронные компоненты, необходимые для работы этих приборов, а также блок подачи газа находятся в едином, интегрированном корпусе. Печи и держатели образцов могут быть быстро и легко заменены оператором. Такая модульная конструкция не только придает приборам единый внешний вид, но и обеспечивает максимальную гибкость при адаптации к изменяющимся аналитическим ситуациям и облегчает внесение любых последующих изменений в условия эксплуатации приборов. На рисунке 1 показаны различные версии приборов, составляющих концепцию платформы.
Для всех трех типов приборов предусмотрена стальная печь. Это позволяет охватить диапазон температур от -150°C до 1000°C на образце. В данном приложении рассматриваются результаты измерений, характерные для этого диапазона температур для полимеров (термопластов, эластомеров) и кристаллических органических веществ, таких как сахар.
STA 449 F1 Jupiter® со сталеплавильной печью
Помимо вышеперечисленных вариантов приборов, для одновременного термического анализа (STA) может быть поставлен ряд дополнительных устройств, таких как методы сопряжения, PulseTA® или генератор водяного пара. В настоящее время для STA 449 доступны девять систем печей, охватывающих диапазон температур от -150°C до 2400°C на образце (рисунок 2).
Условия измерения
В этом приложении представлены результаты измерений для полимерной пленки из полиэтилентерфталата (ПЭТФ), двух образцов эластомеров и сорбита - сахара C6. Для всех исследований использовались стандартные условия; они приведены в таблице 1.
Таблица 1: Условия измерений
| Эластомер | ПЭТ | Сорбитол | |
|---|---|---|---|
| Измерительный прибор | STA 449 F3 Jupiter® | STA 449 F3 Jupiter® | STA 449 F3 Jupiter® |
| Тип печи | Стальная печь | Стальная печь | Стальная печь |
| Держатель образца | Восьмиугольный (ASC) | Октагональный (ASC) | Октагональный (ASC) |
| Термопара | P | P | P |
| Контроль температуры образца (STC) | Выкл | Выкл | Выкл |
| Параметры охлаждения | GN2, авто | GN2, авто | GN2, авто |
| Масса образца | 13.493 мг; 12.292 мг | 4.945 мг | 6.724 мг |
| Материал тигля | Платина | Платина | Платина |
| Атмосфера | Гелий | Гелий | Гелий |
| Расход газа | 70 мл/мин | 70 мл/мин | 70 мл/мин |
| Скорость нагрева/охлаждения | 10 К/мин | 10 К/мин | 10 К/мин |
Результаты измерений
Для определения характеристик эластомеров необходимо проводить анализы в диапазоне ниже комнатной температуры. Поскольку эластомеры не имеют кристаллических частей, для этих веществ не существует точки плавления или диапазона плавления. Эластомеры - это чисто аморфные твердые вещества, т.е. затвердевшие бесструктурным образом. Однако с помощью ДСК можно получить важную информацию о свойствах материала - например, определить температуру стеклования. При этой температуре механические свойства образца резко меняются. При температуре ниже температуры стеклования (Tg) аморфный материал становится хрупким и ломким; выше температуры стеклования, напротив, он становится упругим и гибким. Это изменение механических свойств можно легко измерить с помощью таких методов механических испытаний, как DIL, TMA или DMA. Поскольку удельная теплота образца также изменяется при изменении механических свойств, для определения температуры стеклования можно также использовать калорический метод, например дифференциальную сканирующую калориметрию (ДСК). В результатах измерений ДСК температура стеклования может наблюдаться в виде ступеньки; высота ступеньки является прямым показателем изменения удельной теплоемкости в единицах Дж/гК.
При исследовании полиизопрена (NR, натуральный каучук) предполагается, что стеклование происходит при температуре примерно -50°C. Однако эта температура стеклования может изменяться в зависимости от состава резиновой смеси и selectдобавок, таких как пластификаторы, и, следовательно, может быть скорректирована в соответствии с требованиями соответствующего применения. На рисунке 3 показаны результаты определения температуры стеклования для двух образцов эластомеров.
В полукристаллических материалах аморфные области существуют наряду с кристаллическими (домены). Аморфные области характеризуются с помощью температуры стеклования, как описано выше, в то время как кристаллические области характеризуются их поведением при плавлении. Поскольку механическая и термическая обработка может изменить соотношение аморфной и кристаллической областей, исследования ДСК обычно включают сравнение двух сегментов нагрева. Между этими двумя нагревами образцы подвергаются линейному охлаждению в приборе ДСК с помощью контролируемой программы охлаждения, чтобы не подвергать материал новым состояниям напряжения. На рисунке 4 показано сравнение этих двух сегментов нагрева (красный:1-й нагрев, зеленый:2-й нагрев), а также сегмента охлаждения (синий), который был проведен между двумя нагревами.
Хорошо видно, что прозрачная пленка ПЭТ была largeли аморфной до первого нагрева и что она характеризовалась более высокой долей кристаллического вещества после контролируемого охлаждения, которое происходило со скоростью 10 К/мин.
Типичный температурно-временной профиль для такой циклической обработки образца представлен на рисунке 5 для исследования сорбита.
Результаты измерений для сорбита представлены на рисунке 6. Перед исследованием вещество было полностью кристаллическим, поэтому при первом нагреве (красный цвет) в диапазоне около 0°C не наблюдалось стеклования. Плавление образца было обнаружено при пиковой температуре 101°C. При охлаждении образца жидкого сорбита (синий) кристаллизации не наблюдалось; вместо этого образец затвердел аморфно, о чем свидетельствует обнаружение стеклования при -3,6°C (средняя точка). При втором нагревании (зеленый цвет) снова был обнаружен стеклообразный переход (средняя точка: -0,3°C); к этому времени образец был полностью аморфным и, следовательно, не плавился. Циклическая температурная обработка при скоростях нагрева и охлаждения 10 К/мин привела к переходу образца из полностью кристаллического в полностью аморфное состояние.
Резюме
Примеры измерений показывают, что даже STA, разработанный в основном для работы в высокотемпературном диапазоне, способен анализировать образцы, для которых обычно используется DSC 204 F1 Phoenix® или DSC 200 F3 Maia, просто сменив печь.