Inledning
Kvaliteten på DSC-resultaten avgörs ofta redan vid provberedningen och vid valet av mätparametrar. Den valda degeln spelar här en viktig roll. Variabler som degelns material, form, volym och massa samt lockets status (ja/nej/påslagen/stängd) är viktiga påverkansfaktorer. De två första av dessa - degelmaterial och degelform - kommer att diskuteras mer ingående i denna artikel.
Vid DSC-undersökningar fungerar degeln främst som en behållare för provet och referensmaterialet och måste - precis som en kastrull på spisen - skydda sensorn från kontaminering och fördela värmen till provet eller referensmaterialet så jämnt som möjligt utan att reagera med det. Dessutom ska degeln ge god värmeöverföring till sensorn så att även den minsta förändring i provet kan upptäckas. Avgörande faktorer här är degelmaterialets Termisk konduktivitetVärmekonduktivitet (λ med enheten W/(m-K)) beskriver transporten av energi - i form av värme - genom en masskropp som ett resultat av en temperaturgradient (se fig. 1). Enligt termodynamikens andra huvudsats strömmar värme alltid i riktning mot den lägre temperaturen.värmeledningsförmåga och graden av kontakt mellan degelbotten och sensorn.
Hög värmeledningsförmåga ger god värmetransport
Ett materials Termisk konduktivitetVärmekonduktivitet (λ med enheten W/(m-K)) beskriver transporten av energi - i form av värme - genom en masskropp som ett resultat av en temperaturgradient (se fig. 1). Enligt termodynamikens andra huvudsats strömmar värme alltid i riktning mot den lägre temperaturen.värmeledningsförmåga (symbol: λ) beskriver transporten av energi - i form av värme - genom en kropp baserat på en temperaturgradient. Ju högre Termisk konduktivitetVärmekonduktivitet (λ med enheten W/(m-K)) beskriver transporten av energi - i form av värme - genom en masskropp som ett resultat av en temperaturgradient (se fig. 1). Enligt termodynamikens andra huvudsats strömmar värme alltid i riktning mot den lägre temperaturen.värmeledningsförmåga, desto större mängd energi transporteras och desto effektivare blir därmed värmeväxlingen.
Värmeledningsförmågan hos olika degelmaterial sammanfattas i tabellen. 1. Den bekräftar att metaller har ett högre λ-värde än t.ex. keramik (aluminiumoxid) och därför är bättre värmeledare. Aluminiums Termisk konduktivitetVärmekonduktivitet (λ med enheten W/(m-K)) beskriver transporten av energi - i form av värme - genom en masskropp som ett resultat av en temperaturgradient (se fig. 1). Enligt termodynamikens andra huvudsats strömmar värme alltid i riktning mot den lägre temperaturen.värmeledningsförmåga på 237 W/(m-K) är högre än platinas och mycket högre än aluminiumoxidens, men fortfarande betydligt lägre än guldets, kopparns och silvrets.
Tabell 1: Termofysikaliska data för några typiska degelmaterial vid RT
Material | Termisk ledningsförmåga λ (W/(m-K)) | (mm²/s) | Specifik värmekapacitet (cp)Värmekapacitet är en materialspecifik fysikalisk storhet som bestäms av den värmemängd som tillförs provkroppen, dividerat med den resulterande temperaturökningen. Den specifika värmekapaciteten är relaterad till en massa-enhet av provkroppen.Specifik värmekapacitet Specifik värmekapacitet (cp)Värmekapacitet är en materialspecifik fysikalisk storhet som bestäms av den värmemängd som tillförs provkroppen, dividerat med den resulterande temperaturökningen. Den specifika värmekapaciteten är relaterad till en massa-enhet av provkroppen.cp (J/(g-K)) |
|---|---|---|---|
| Aluminium | 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) |
| Koppar | 404(1) | 117(3) | 0.39(1) |
| Silver | 429(1) | 173(3) | 0.23(1) |
| Guld | 317(1) | 127.2(3) | 0.13(1) |
Figur 1 illustrerar de ovan nämnda skillnaderna med hjälp av tre olika mätningar på indium i deglar av aluminium, Al2O3 och platina/rhodium. Med samma provmassa och i övrigt identiska förhållanden uppvisade mätningen i aluminiumdegeln (röd kurva) den största toppen följt av den i Pt/Rh-degeln (blå). Den streckade svarta kurvan uppvisar den minsta toppen och representerar mätningen i Al2O3-degeln. Silver och guld bildar legeringar när de kommer i kontakt med indium och ingick därför inte i denna testserie.
Metallernas goda värmeöverföringsegenskaper återspeglas inte bara i motsvarande topphöjder, utan också i den så kallade tidskonstanten. Denna definieras som den tid det tar för en mätsignal att minska från toppen av sin topp till 1/e av intensiteten (motsvarar en minskning på ca 63 %). Även utan exakta numeriska data kan man i figur 1 se att lutningen efter smälttoppen avtar mycket mindre kraftigt för mätningarna i Al2O3-degeln än för de mätningar som utförts i metalldeglarna. Ju smalare en topp är (t.ex. ju kortare tidskonstanten är), desto bättre separeras angränsande effekter och desto bättre blir därför upplösningen. Viktiga faktorer här är den termiska diffusiviteten (symbol: a), som anger hur snabbt ett material reagerar på en temperaturförändring, och den termiska massan (m-Specifik värmekapacitet (cp)Värmekapacitet är en materialspecifik fysikalisk storhet som bestäms av den värmemängd som tillförs provkroppen, dividerat med den resulterande temperaturökningen. Den specifika värmekapaciteten är relaterad till en massa-enhet av provkroppen.cp) (för a och Specifik värmekapacitet (cp)Värmekapacitet är en materialspecifik fysikalisk storhet som bestäms av den värmemängd som tillförs provkroppen, dividerat med den resulterande temperaturökningen. Den specifika värmekapaciteten är relaterad till en massa-enhet av provkroppen.cp, se även tabell 1).
Figur 2 visar en verklig provmätning på PET, utförd i aluminiumdeglar (här i Concavus® deglar, blå kurva) och i Al2O3-deglar (röd streckad linje). DSC, som återspeglar testet i aluminiumdeglar, är här överlägsen mätningen i Al2O3-deglar både när det gäller toppintensitet (högre) och toppbredd (smalare).
Det faktum att aluminium är betydligt billigare än ädelmetallerna guld och silver och att det inte heller har någon katalytisk effekt på organiska material, vilket koppar har (ordvits: oxidativ stabilitet hos kabelhöljen i koppardeglar), har gjort aluminium till standarddegelmaterial för polymerer, många läkemedel och livsmedel. Smältpunkten för ren aluminium är 660,3°C, så temperaturintervallet för användning av Al-deglar är begränsat till maximalt 610°C.
Form på smältdegel - form följer funktion
En annan faktor för att optimera värmeöverföringen är god kontakt mellan degelbotten och sensorn. Teoretiskt sett skulle en perfekt plan degelbotten placerad på en perfekt plan sensor vara den perfekta kombinationen. Man måste dock ta hänsyn till att även metallytor som är makroskopiskt plana består av mikroskopiska förhöjningar och fördjupningar som kan hänföras till ytjämnhet - så där de plana ytorna på en degel och en sensor möts är det bara vid vissa punkter som det faktiskt finns kontakt. Ju fler sådana punkter det finns, desto bättre blir värmeöverföringen.
Dessutom får man inte bortse från tillverkningstoleranser, särskilt inte för deglar med relativt tunn botten. Även small anomalier i den plana ytan på en degelbotten kan avsevärt minska reproducerbarheten hos mätresultaten för sådana deglar.
Ett nytt sätt att möta dessa utmaningar är att ge degelbottnen en konkav form, dvs. att avsiktligt skapa en inåtriktad konkavitet i den yttre degelbottnen, som i degeln Concavus® av aluminium (fig. 3). När den placeras på en platt sensor resulterar detta i en jämn, ringformad kontaktzon och förbättrar reproducerbarheten avsevärt.
Degeln Concavus® har utformats speciellt för Corona -sensorn i DSC 214 Polyma, men den kan också användas i alla andra NETZSCH DSC- eller STA-instrument med en DSC-provbärare.
DSC-deglarna är bara några millimeter höga och är i allmänhet ganska platta. Därför kan endast en small mängd värme förloras till den omgivande gasatmosfären, och effekten på systemets känslighet är i motsvarande grad positiv.
Sammanfattning
Aluminium är det idealiska degelmaterialet för de flesta mätuppgifter i temperaturområdet upp till 610°C eftersom material- och produktionskostnaderna är relativt låga samtidigt som materialegenskaperna är mycket goda.
Den speciella formen på Concavus® degeln i kombination med Corona sensorn sätter nya standarder inom detta område.
Som en allmän regel är det viktigt att alltid select använda degelmaterial som inte kommer att interagera med provet. När det är möjligt bör metalldeglar väljas för DSC-undersökningar på grund av deras överlägsna värmeöverföringsegenskaper.