Giriş
NETZSCH-Gerätebau GmbH'de Platform Konsepti
Platform konseptimiz şu anda her biri iki farklı modele sahip üç temel cihazdan (DSC, STA ve TMA) oluşmaktadır (F1 ve F3 ). Gaz besleme ünitesi ile birlikte bu cihazların çalıştırılması için gerekli tüm elektronik bileşenler tek bir bütünleştirici muhafaza içinde yer almaktadır. Fırınlar ve numune tutucular operatör tarafından hızlı ve kolay bir şekilde değiştirilebilir. Bu modüler yapı sadece cihazlara tek tip bir görünüm kazandırmakla kalmaz, aynı zamanda değişen analitik durumlara uyum sağlamak ve cihazın çalışma koşullarında gerekli olan değişikliklerin uygulanmasını kolaylaştırmak için maksimum esneklik sağlar. Şekil 1'de platform konseptini oluşturan çeşitli cihaz versiyonları gösterilmektedir.
Her üç cihaz tipi için de bir çelik fırın mevcuttur. Bu, numunede -150°C ila 1000°C sıcaklık aralığının kapsanmasını sağlar. Bu uygulama notunda, polimerler (termoplastikler, elastomerler) ve şeker gibi kristalin organik maddeler için bu sıcaklık aralığında tipik ölçüm sonuçları tartışılacaktır.
STA 449 F1 Jupiter® çelik Fırın ile
Yukarıda belirtilen cihaz varyasyonlarına ek olarak, eşzamanlı termal analiz (STA) için birleştirme yöntemleri gibi bir dizi eklenti sağlanabilir, PulseTA® veya su buharı jeneratörü. Halihazırda STA 449 için numunede -150°C ila 2400°C sıcaklık aralığını kapsayan dokuz fırın sistemi mevcuttur (Şekil 2).
Ölçüm Koşulları
Polietilen terftalattan (PET) yapılmış bir polimer film, iki elastomer örneği ve bir C6 şekeri olan sorbitol için ölçüm sonuçları bu uygulama notunda sunulmuştur. Tüm incelemeler için standart koşullar kullanılmıştır; bunlar tablo 1'de özetlenmiştir.
Tablo 1: Ölçüm Koşulları
| Elastomer | PET | Sorbitol | |
|---|---|---|---|
| Ölçüm aleti | STA 449 F3 Jupiter® | STA 449 F3 Jupiter® | STA 449 F3 Jupiter® |
| Fırın tipi | Çelik fırını | Çelik fırını | Çelik fırını |
| Örnek taşıyıcı | Sekizgen (ASC) | Sekizgen (ASC) | Sekizgen (ASC) |
| Termokupl | P | P | P |
| Örnek Sıcaklık Kontrolü (STC) | Kapalı | Kapalı | Kapalı |
| Soğutma parametreleri | GN2, otomatik | GN2, otomatik | GN2, otomatik |
| Örnek kütle | 13.493 mg; 12.292 mg | 4.945 mg | 6.724 mg |
| Pota malzemesi | Platin | Platin | Platin |
| Atmosfer | Helyum | Helyum | Helyum |
| Gaz akış hızı | 70 ml/dak | 70 ml/dak | 70 ml/dak |
| Isıtma/soğutma oranı | 10 K/dak | 10 K/dak | 10 K/dak |
Ölçüm Sonuçları
Elastomerleri karakterize etmek için analizlerin oda sıcaklığının altındaki bir aralıkta yapılması gerekir. Elastomerlerin kristal kısımları olmadığından, bu maddeler içinErime 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 veyaErime 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 aralığı yoktur. Elastomerler tamamen amorf katılardır; yani yapısal olmayan bir şekilde katılaşmış olanlardır. Ancak DSC sayesinde malzeme özellikleri hakkında önemli bilgiler elde edilebilir - örneğin camsı geçiş sıcaklığı belirlenerek. Bu sıcaklıkta numunenin mekanik özellikleri önemli ölçüde değişir. Camsı geçiş sıcaklığının (Tg) altındaki sıcaklıklarda amorf bir malzeme kırılgan ve narindir; camsı geçiş sıcaklığının üzerinde ise elastik ve esnektir. Bu mekanik özellik değişimi DIL, TMA veya DMA gibi mekanik test yöntemleriyle çok kolay bir şekilde ölçülebilir. Bu mekanik özellik değişimi sırasında bir numunenin özgül ısısı da değiştiğinden, camsı geçiş sıcaklığını belirlemek için diferansiyel taramalı kalorimetri (DSC) gibi kalorik bir yöntem de kullanılabilir. DSC ölçüm sonuçlarında, camsı geçiş sıcaklığı bir basamak olarak gözlemlenebilir; basamak yüksekliği, J/gK birimi cinsinden özgül ısıdaki değişimin doğrudan bir göstergesidir.
Poliizoprenin (NR, doğal kauçuk) incelenmesinde, camsı geçişin yaklaşık -50°C sıcaklıkta gerçekleşmesi beklenir. Ancak bu camsı geçiş sıcaklığı kauçuk karışımına ve plastikleştiriciler gibi katkı maddelerinin selectiyonuna bağlı olarak değişebilir ve bu nedenle ilgili uygulama gereksinimlerine göre ayarlanabilir. Şekil 3, iki elastomer numunesi için camsı geçiş sıcaklığının belirlenmesinin sonuçlarını göstermektedir.
Yarı kristal malzemeler için kristal bölgelerin (domainler) yanında amorf bölgeler de mevcuttur. Amorf bölgeler yukarıda açıklandığı gibi camsı geçiş sıcaklığı ile karakterize edilirken, kristalin bölgelerErime 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 davranışları ile karakterize edilir. Mekanik ve ısıl işlem adımları amorf bölgenin kristal bölgeye oranını değiştirebileceğinden, DSC incelemeleri genellikle iki ısıtma segmentinin karşılaştırılmasını içerir. Bu iki ısıtma işlemi arasında numuneler, malzemenin yeni StresStres, iyi tanımlanmış bir kesite sahip bir numune üzerine uygulanan kuvvet seviyesi olarak tanımlanır. (Stres = kuvvet/alan). Dairesel veya dikdörtgen kesitli numuneler sıkıştırılabilir veya gerilebilir. Kauçuk gibi elastik malzemeler orijinal uzunluklarının 5 ila 10 katına kadar gerilebilir.stres durumlarına maruz kalmasını önlemek için kontrollü bir soğutma programı aracılığıyla DSC cihazında doğrusal soğutmaya tabi tutulur. Şekil 4, bu iki ısıtma segmentinin (kırmızı:1. ısıtma, yeşil:2. ısıtma) ve iki ısıtma çalışması arasında gerçekleştirilen soğutma segmentinin (mavi) karşılaştırmasını göstermektedir.
Şeffaf PET filmin ilk ısıtmadan önce largely amorf olduğu ve 10 K/dak hızında gerçekleşen kontrollü soğutmanın ardından daha yüksek bir kristal oranıyla karakterize edildiği açıkça görülebilir.
Bir numunenin bu şekilde döngüsel olarak işlenmesi için tipik bir sıcaklık-zaman profili, sorbitolün incelenmesi için uygulanan şekil 5'te gösterilmiştir.
Sorbitol için ölçüm sonuçları şekil 6'da sunulmuştur. Madde incelemeden önce tamamen kristal yapıdaydı, bu nedenle ilk ısıtma sırasında (kırmızı) 0°C civarında Cam Geçiş SıcaklığıCamsı geçiş, inorganik camlar, amorf metaller, polimerler, farmasötikler ve gıda bileşenleri gibi amorf ve yarı kristal malzemelerin en önemli özelliklerinden biridir ve malzemelerin mekanik özelliklerinin sert ve kırılganlıktan daha yumuşak, deforme olabilir veya kauçuksu hale dönüştüğü sıcaklık bölgesini tanımlar.cam geçişi gözlenmedi. Numune erimesi 101°C'lik bir pik sıcaklıkta tespit edilmiştir. Sıvı sorbitol numunesinin (mavi) soğutulması sırasında KristalleşmeKristalleşme, kristallerin oluşumu ve büyümesi sırasında sertleşmenin fiziksel sürecidir. Bu işlem sırasında kristalleşme ısısı açığa çıkar.kristalleşme gözlenmemiştir; bunun yerine, -3,6°C'de (orta nokta) cam geçişinin tespit edilmesiyle gösterildiği gibi numune amorf bir şekilde katılaşmıştır. İkinci ısıtma sırasında (yeşil), Cam Geçiş SıcaklığıCamsı geçiş, inorganik camlar, amorf metaller, polimerler, farmasötikler ve gıda bileşenleri gibi amorf ve yarı kristal malzemelerin en önemli özelliklerinden biridir ve malzemelerin mekanik özelliklerinin sert ve kırılganlıktan daha yumuşak, deforme olabilir veya kauçuksu hale dönüştüğü sıcaklık bölgesini tanımlar.cam geçişi tekrar tespit edildi (orta nokta: -0,3°C); o zamana kadar numune tamamen amorftu ve bu nedenleErime 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 göstermedi. Isıtma ve soğutma hızları 10 K/dak olan döngüsel sıcaklık işlemi numunenin tamamen kristal halden tamamen amorf hale geçmesine neden olmuştur.
Özet
Ölçüm örnekleri, öncelikle yüksek sıcaklık aralığı için tasarlanmış olan bir STA'nın bile DSC 204'ün analiz edebileceği numuneleri analiz edebildiğini göstermektedir F1 Phoenix® veya bir DSC 200 F3 Maia normalde sadece fırının değiştirilmesi nedeniyle kullanılırdı.