Giriş
DSC sonuçlarının kalitesi genellikle numune hazırlama ve ölçüm parametresi kadar erken belirlenir selectiyon fazı. Seçilen kroze burada önemli bir rol oynar. Krozenin malzemesi, formu, hacmi ve kütlesi gibi değişkenlerin yanı sıra kapağın durumu (evet/hayır/açık/kapalı) da önemli etki faktörleridir. Bunlardan ilk ikisi - kroze malzemesi ve formu - bu makalede daha ayrıntılı olarak ele alınacaktır.
DSC araştırmaları için kroze öncelikle numune ve referans malzeme için bir kap görevi görür ve tıpkı ocaktaki bir tencerede olduğu gibi sensörü kontaminasyondan korumalı ve ısıyı numune veya referans malzeme ile reaksiyona girmeden mümkün olduğunca eşit bir şekilde dağıtmalıdır. Ek olarak, kroze sensöre iyi bir ısı transferi sağlamalıdır, böylece numunedeki en ufak bir değişiklik bile tespit edilebilir. Buradaki önemli faktörler, kroze malzemesinin termal iletkenliği ve kroze tabanı ile sensör arasındaki temas derecesidir.
Yüksek Termal İletkenlik İyi Isı Taşınımı Sağlar
Bir malzemenin ısıl iletkenliği (sembol: λ), enerjinin - ısı şeklinde - bir sıcaklık gradyanına dayalı olarak bir cisim boyunca taşınmasını tanımlar. Termal iletkenlik ne kadar yüksekse, taşınan enerji miktarı o kadar fazla ve dolayısıyla ısı alışverişi o kadar etkili olur.
Çeşitli pota malzemelerinin ısıl iletkenlikleri tabloda özetlenmiştir. 1. Metallerin, örneğin seramiklerden (alümina) daha yüksek bir λ değerine sahip olduğunu ve bu nedenle daha iyi ısı iletkenleri olduğunu doğrulamaktadır. Alüminyumun 237 W/(m-K) olan ısı iletkenliği platininkinden daha yüksek ve alüminanınkinden çok daha yüksektir, ancak yine de altın, bakır ve gümüşünkinden oldukça düşüktür.
Tablo1: RT'de bazı tipik kroze malzemelerinin termofiziksel verileri
Malzeme | Termal iletkenlik λ (W/(m-K)) | Termal difüzivite (mm²/s) | (J/(g-K)) |
|---|---|---|---|
| Alüminyum | 237(1) | 98.8(3) | 0.9(1) |
| Platin | 71.6(1) | 25(3) | 0.13(1) |
| Al2O3 (α) | 28(3) | 10.2(2) | 0.76(2) |
| Bakır | 404(1) | 117(3) | 0.39(1) |
| Gümüş | 429(1) | 173(3) | 0.23(1) |
| Altın | 317(1) | 127.2(3) | 0.13(1) |
Şekil 1, alüminyum, Al2O3 ve platin/rodyum krozelerdeki indiyum üzerinde yapılan üç farklı ölçüm vasıtasıyla yukarıda bahsedilen farklılıkları göstermektedir. Aynı numune kütlesi ve aynı koşullar altında, alüminyum krozede yapılan ölçümde (kırmızı eğri) largest piki görülürken, bunu Pt/Rh krozedeki ölçüm (mavi) takip etmektedir. Noktalı siyah eğri smallen yüksek piki gösterir ve Al2O3 potasındaki ölçümü temsil eder. Gümüş ve altın, indiyum ile temas ettiğinde alaşım oluşturur ve bu nedenle bu test serisine dahil edilmemiştir.
Metallerin iyi ısı transferi özellikleri sadece ilgili pik yüksekliklerinde değil, aynı zamanda zaman sabiti olarak adlandırılan değerde de kendini göstermektedir. Bu, bir ölçüm sinyalinin tepe noktasından yoğunluğunun 1/e'sine düşmesi için gereken süre olarak tanımlanır (yaklaşık %63'lük bir düşüşe karşılık gelir). Kesin sayısal veriler olmasa bile, şekil 1'deErime Sıcaklıkları ve EntalpileriGizli ısı olarak da bilinen bir maddenin füzyon entalpisi, bir maddeyi katı halden sıvı hale dönüştürmek için gerekli olan enerji girdisinin, tipik olarak ısının bir ölçüsüdür. Bir maddenin erime noktası, katı (kristal) halden sıvı (izotropik eriyik) hale geçtiği sıcaklıktır. erime pikinden sonraki eğimin Al2O3 potasında yapılan ölçümlerde metal potalarda yapılanlara göre çok daha az keskin bir şekilde azaldığı görülebilir. Bir pik ne kadar dar olursa (örneğin, zaman sabiti ne kadar kısa olursa), komşu etkiler o kadar iyi ayrılır ve dolayısıyla çözünürlük de o kadar iyi olur. Buradaki önemli faktörler, bir malzemenin sıcaklık değişimine ne kadar hızlı tepki verdiğini gösteren Termal DifüziviteTermal difüzivite (mm2/s birimiyle a), kararsız ısı iletimini karakterize etmek için malzemeye özgü bir özelliktir. Bu değer, bir malzemenin sıcaklıktaki bir değişikliğe ne kadar hızlı tepki verdiğini açıklar.termal difüzivite (sembol: a) ve termal kütledir (m-Özgül Isı Kapasitesi (cp)Isı kapasitesi, numuneye verilen ısı miktarının ortaya çıkan sıcaklık artışına bölünmesiyle belirlenen, malzemeye özgü fiziksel bir niceliktir. Özgül ısı kapasitesi, numunenin birim kütlesiyle ilişkilidir.cp) (a ve Özgül Isı Kapasitesi (cp)Isı kapasitesi, numuneye verilen ısı miktarının ortaya çıkan sıcaklık artışına bölünmesiyle belirlenen, malzemeye özgü fiziksel bir niceliktir. Özgül ısı kapasitesi, numunenin birim kütlesiyle ilişkilidir.cp için ayrıca bkz. Tablo 1).
Şekil 2'de PET üzerinde alüminyum krozelerde (burada Concavus® krozelerde, mavi eğri) ve Al2O3 krozelerde (kırmızı noktalı çizgi) gerçekleştirilen gerçek bir numune ölçümü gösterilmektedir. Alüminyum krozelerdeki testi yansıtan DSC, burada hem pik yoğunluğu (daha yüksek) hem de pik genişliği (daha dar) açısından Al2O3 krozelerdeki ölçümden daha üstündür.
Alüminyumun değerli metaller olan altın ve gümüşten çok daha ucuz olması ve ayrıca bakır gibi organik malzemeler üzerinde katalitik bir etkiye sahip olmaması (moda deyim: bakır krozelerde kablo kılıfının oksidatif stabilitesi), alüminyumu polimerler, birçok ilaç ve gıda için standart kroze malzemesi haline getirmiştir. Saf alüminyumunErime Sıcaklıkları ve EntalpileriGizli ısı olarak da bilinen bir maddenin füzyon entalpisi, bir maddeyi katı halden sıvı hale dönüştürmek için gerekli olan enerji girdisinin, tipik olarak ısının bir ölçüsüdür. Bir maddenin erime noktası, katı (kristal) halden sıvı (izotropik eriyik) hale geçtiği sıcaklıktır. erime noktası 660,3°C'dir, bu nedenle Al krozelerin kullanımı için sıcaklık aralığı maksimum 610°C ile sınırlıdır.
Pota Şekli - Biçim İşlevi Takip Eder
Isı transferinin optimize edilmesindeki bir diğer faktör de kroze tabanı ile sensör arasında iyi bir temas olmasıdır. Teorik olarak, mükemmel düzlemde bir sensör üzerine yerleştirilmiş mükemmel düzlemde bir pota tabanı ideal kombinasyon olacaktır. Ancak, makroskopik olarak düz olan metal yüzeylerin bile yüzey pürüzlülüğüne bağlı mikroskobik yükseltiler ve çöküntüler içerdiği göz önünde bulundurulmalıdır - bu nedenle bir potanın ve sensörün düz yüzeylerinin bir araya geldiği yerlerde, temas yalnızca belirli noktalarda gerçekleşir. Bu tür noktalar ne kadar fazla olursa, ısı transferi de o kadar iyi olacaktır.
Buna ek olarak, özellikle tabanı nispeten ince olan potalar için üretim toleransları göz ardı edilmemelidir. Bir kroze tabanının düz yüzeyindeki small anormallikler bile bu tür krozeler için ölçüm sonuçlarının tekrarlanabilirliğini önemli ölçüde azaltabilir.
Bu zorlukların üstesinden gelmek için yeni bir yaklaşım, kroze tabanına içbükey bir şekil vermek, yani alüminyumdan yapılmış Concavus® krozesinde gerçekleştirildiği gibi dış kroze tabanında kasıtlı olarak içe doğru bir içbükeylik oluşturmaktır (şekil 3). Düz bir sensör üzerine yerleştirildiğinde bu, eşit, halka şeklinde bir temas bölgesi ile sonuçlanır ve tekrarlanabilirliği önemli ölçüde artırır.
Concavus® krozesi özellikle DSC 214 Polyma cihazının Korona sensörü için tasarlanmıştır, ancak DSC numune taşıyıcısı olan diğer NETZSCH DSC veya STA cihazlarında da kullanılabilir.
Sadece birkaç milimetre yüksekliğindeki DSC krozeleri genellikle oldukça düzdür. Bu nedenle, çevredeki gaz atmosferine yalnızca small miktarda ısı kaybedilebilir ve sistemin hassasiyeti üzerindeki etkisi de buna bağlı olarak olumludur.
Özet
Alüminyum, 610°C'ye kadar olan sıcaklık aralığındaki çoğu ölçüm görevi için ideal kroze malzemesidir, çünkü malzeme ve üretim maliyetleri nispeten düşükken malzeme özellikleri hala çok iyidir.
Korona sensörü ile birlikte Concavus® potasının özel şekli bu alanda yeni standartlar belirlemektedir.
Genel bir kural olarak, her zaman select numune ile etkileşime girmeyecek kroze malzemeleri kullanmak önemlidir. Mümkün olduğunda, üstün ısı transferi özellikleri nedeniyle DSC incelemeleri için metal krozeler tercih edilmelidir.