Differentiële scanning calorimetrie (DSC)

Het principe dat ten grondslag ligt aan differentiële scanning calorimetrie (DSC) is dat enthalpieveranderingen in een materiaal (de hoeveelheid energie die door een stof wordt geabsorbeerd of vrijgegeven tijdens een chemische reactie of fysieke verandering) kunnen worden gedetecteerd en gemeten. Deze enthalpieveranderingen kunnen worden gebruikt om het materiaal te karakteriseren.

Als er een thermisch effect optreedt in het monster terwijl het wordt verwarmd of afgekoeld, zal de temperatuur afwijken van de referentietemperatuur, die de geprogrammeerde temperatuur volgt. Door het verschil in enthalpieveranderingen tussen een monster en een referentie te meten, levert DSC waardevolle informatie op over de fysische en chemische eigenschappen van het monster.

Als een monster bijvoorbeeld een faseverandering ondergaat, absorbeert het energie of geeft het energie af. Dit kan een exotherm effect zijn, zoals kristallisatie, waarbij het monster energie afgeeft en heter wordt dan de referentie. Deze energie wordt gedetecteerd door het DSC-instrument. Door het verschil te meten tussen de warmtestroom van het monster en de warmtestroom van de referentie, kunt u de enthalpieverandering bepalen die gepaard gaat met de faseovergang van het monster.

DSC-resultaten worden uitgezet als een warmtestroomcurve in mW als functie van temperatuur of tijd. DSC kan worden gebruikt om veel thermische eigenschappen van materialen te bepalen door de vorm van de warmtestroomcurve te analyseren.

Bekijk in onze video de voordelen van de differentiële scanning calorimeters van METTLER TOLEDO.

METTLER TOLEDO biedt twee DSC-meetmodi: warmteflux en vermogenscompensatie.

Warmteflux DSC: Tijdens het gecontroleerde temperatuurprogramma zal een thermisch effect in het monster ervoor zorgen dat de temperatuur afwijkt van de referentietemperatuur. Bij een exotherm effect, zoals kristallisatie, komt bijvoorbeeld energie vrij en wordt het monster heter dan de referentie. Bij heat flux DSC wordt het temperatuurverschil tussen het monster en de referentie gemeten. Om een DSC-meetcurve te maken, wordt de warmtestroom berekend op basis van het gemeten verschil in temperatuur. Al onze DSC-instrumenten kunnen in warmtefluxmodus meten.

DSC voor vermogenscompensatie: In de vermogenscompensatiemodus wordt de energie gemeten die wordt gebruikt om het temperatuurverschil tussen het monster en de referentie zo dicht mogelijk bij nul te houden.  In de DSC 5+ van METTLER TOLEDO wordt dit bereikt door twee lokale verwarmers op de sensor, één onder de monster crucible en één onder de referentie crucible . Tijdens een exotherm effect, zoals kristallisatie, wordt het monster heter dan de referentie. De verwarmer aan de referentiezijde wordt dan geactiveerd, waardoor de referentietemperatuur wordt verhoogd totdat deze overeenkomt met de monstertemperatuur.

Een endotherm effect in het monster, zoals smelten, absorbeert energie en het monster wordt koeler dan de referentie. De monsterverwarmer wordt dan geactiveerd, waardoor de monstertemperatuur wordt verhoogd totdat deze de referentietemperatuur bereikt.

De hoeveelheid vermogen die door de sensorverwarmers wordt ingebracht, wordt zeer nauwkeurig gemeten. Dit resulteert in een warmtestroomsignaal met een uitstekende resolutie en een uitstekende scheiding van nabije effecten.

De Flash DSC , de snelle scanning calorimeter van METTLER TOLEDO, maakt ook gebruik van vermogenscompensatie.

Naast warmteflux en vermogenscompensatie DSC zijn er vele soorten differentiële scanning calorimetrie, elk met zijn eigen voordelen en beperkingen. De keuze van de DSC-techniek hangt af van het specifieke monster dat wordt bestudeerd en de toepassing.

METTLER TOLEDO is een toonaangevende leverancier van differentiële scanning calorimeters (DSC's). We bieden een gevarieerd portfolio van DSC-instrumenten, elk ontworpen met unieke functies en mogelijkheden om tegemoet te komen aan verschillende toepassingen. Bekijk nu onze productbrochures om de perfecte DSC-oplossing te vinden die aan uw behoeften voldoet.

Met hogedruk differentiële scanning calorimetrie (HPDSC) kan het thermische gedrag van materialen in een hogedrukomgeving worden bestudeerd door een gas onder druk te introduceren om de vereiste omstandigheden te genereren. De voordelen van HPDSC zijn onder meer kortere analysetijden als gevolg van versnelde reacties en de simulatie van procesomstandigheden onder druk.

Snel scannende calorimetrie DSC (Flash DSC)

Fast scanning calorimetrie of flash differentiële scanning calorimetrie (Flash DSC) wordt gebruikt om het thermische gedrag van materialen bij zeer hoge verwarmings- en afkoelsnelheden te bestuderen. In Flash DSC wordt het monster blootgesteld aan verwarmingssnelheden tot 3.000.000 K/min en koelsnelheden tot 2.400.000 K/min, waardoor de studie van materialen die extreem snelle thermische reacties vertonen en de analyse van reorganisatieprocessen mogelijk is die niet mogelijk zijn met conventionele DSC.

DSC-microscopie maakt het mogelijk om een monster visueel te onderzoeken terwijl het wordt verwarmd of gekoeld. Deze techniek is nuttig wanneer DSC-curven effecten vertonen die niet onmiddellijk kunnen worden begrepen of die weinig of geen enthalpie genereren. Dit maakt het bijvoorbeeld mogelijk om vaste-vaste stofovergangen, overlappende effecten en de krimp van het monster waar te nemen te identificeren.

DSC fotocolorimetrie (UV-DSC)  maakt het mogelijk om foto-geïnduceerde uithardingsreacties te bestuderen, maar ook de effecten van blootstellingstijd en UV-lichtintensiteit op materiaaleigenschappen te onderzoeken.

Differentiële scanning calorimetrie (DSC) werkt door de hoeveelheid energie te meten die wordt geabsorbeerd of vrijgegeven door een monster (de warmtestroom) terwijl het wordt onderworpen aan een gecontroleerde verwarmings- of koelcyclus, of isotherm op dezelfde temperatuur wordt gehouden. Naarmate de temperatuur verandert, of met de tijd op een bepaalde temperatuur wordt gehouden, ondergaat het monster thermische overgangen, zoals smelten, kristallisatie, glasovergang, faseveranderingen of chemische reacties, waarbij warmte-energie wordt geabsorbeerd of vrijgegeven.

Met behulp van een speciaal type sensor detecteert differentiële scanning calorimetrie de energie die door het monster wordt geabsorbeerd of vrijgegeven tijdens deze overgangen of gebeurtenissen. Het verschil in warmtestroom tussen een monster en een referentie curcible wordt uitgezet in mW als functie van temperatuur of tijd om een DSC-meetcurve te maken. De enthalpieveranderingen die gepaard gaan met de thermische gebeurtenissen verschijnen als endotherme of exotherme pieken op de curve.

Door de vorm van de warmtestroomcurve te evalueren en te interpreteren, kunnen we de thermische eigenschappen en het gedrag van een materiaal bepalen. Thermische analysesoftware wordt gebruikt om het instrument te besturen en de vorm van de meetcurve te presenteren en te evalueren.

Differentiële scanning calorimetrie (DSC) wordt veel gebruikt voor het onderzoeken van de thermische eigenschappen van verschillende materialen zoals polymeren, composieten, chemicaliën, petrochemicaliën, metalen, keramiek, farmaceutica, oliën en voedingsmiddelen. Deze thermische analysetechniek biedt waardevolle informatie over de thermische eigenschappen en het gedrag van het monster en wordt vaak gebruikt voor onderzoek naar nieuwe materialen, storingsanalyse, veiligheidsstudies en kwaliteitscontrole.

Veel voorkomende toepassingen van differentiële scanning calorimetrie zijn onder meer:

• Thermische stabiliteit (oxidatie-inductietijd, ontledingstemperatuur)
• Uitharding en chemische reacties
• Kinetiek (voor uitharding, houdbaarheid, stabiliteit)
• Polymorfisme
• Zuiverheidsbepaling en onzuiverheden
• Specifieke warmtecapaciteit
• Identificatie (op basis van karakteristieke smeltbegintemperatuur of glasovergangstemperatuur)

DSC wordt vaak gebruikt in de volgende industrieën:

• Farmaceutica: Het karakteriseren van geneesmiddelverbindingen, het analyseren van zuiverheid en het ontwikkelen van stabiele geneesmiddelformuleringen.
• Polymeerwetenschap: Het bestuderen van thermische overgangen zoals glasovergangen, kristallisatie en smelten, helpt de verwerking te optimaliseren en materiaaleigenschappen te begrijpen.
• Voedingswetenschap: Onderzoek naar het gedrag van vetten, zetmeel en andere voedingscomponenten tijdens verwerking en opslag, om de productkwaliteit en houdbaarheid te bepalen.
• Materiaalkunde: Het analyseren van faseovergangen in verschillende materialen, van metalen en keramiek tot composieten en nanomaterialen, helpt bij de ontwikkeling en toepassing ervan.

Ontdek de uitgebreide collectie thermische analysetoepassingen van METTLER TOLEDO, die een breed scala aan technieken en analytische onderwerpen bestrijkt.

Om een differentieel scanning calorimeter (DSC)-instrument te gebruiken, moet u eerst een klein, nauwkeurig afgemeten monster voorbereiden en dit in een monster crucible of pan plaatsen. Afhankelijk van de toepassing kan er indien nodig een deksel op de crucible worden geplaatst. Een referentie crucible van hetzelfde type wordt bereid en blijft meestal leeg. Monstervoorbereiding is essentieel en moet correct worden uitgevoerd, wat wordt uitgelegd in deze video Hoe DSC-monsters te bereiden .

Het temperatuurprogramma is ingesteld, met begin- en eindtemperaturen en de juiste verwarmings- en koelsnelheden. Het juiste ovengas moet worden gekozen afhankelijk van de vraag of een inerte of oxiderende atmosfeer vereist is. Zodra de DSC-oven de starttemperatuur heeft bereikt, worden het monster en de referentie crucibles in de oven geplaatst. Dit kan handmatig of automatisch met een bemonsteringsrobot. Naarmate het temperatuurprogramma vordert, detecteert het DSC-instrument het verschil in warmtestroom tussen het monster en de referentie crucibles. De resultaten worden uitgezet op een meetcurve die de enthalpieveranderingen van het monster weergeeft met betrekking tot temperatuur of tijd.

Download de handleiding voor meer gedetailleerde informatie over het gebruik van de DSC-instrumenten van METTLER TOLEDO.

DSC (differentiële scanning calorimetrie) en DTA (differentiële thermische analyse) zijn twee thermische analysetechnieken die worden gebruikt om het thermische gedrag van materialen te bestuderen. Hoewel beide technieken betrekking hebben op het meten van temperatuurveranderingen in een materiaal, verschillen ze in de manier waarop deze veranderingen worden gemeten en het soort informatie dat ze opleveren.

Differentiële scanning calorimetrie meet de hoeveelheid warmtestroom in of uit een monster terwijl het wordt onderworpen aan een gecontroleerd temperatuurprogramma, en geeft informatie over de exotherme en endotherme processen die in het monster plaatsvinden als functie van temperatuur of tijd. Differentiële thermische analyse geeft alleen informatie over het temperatuurverschil tussen het monster en de referentie.

DSC is over het algemeen beter geschikt voor het bestuderen van faseovergangen en thermische eigenschappen van materialen, zoals smeltpunten, glasovergangen en enthalpieveranderingen. Het geeft meer informatie over het thermische gedrag van een materiaal en wordt vaak gebruikt om polymeren, geneesmiddelen en andere organische materialen te karakteriseren.

DTA kan worden gebruikt om thermische stabiliteit en oxidatiegedrag te bestuderen, zoals de smeltpunten en thermische stabiliteit van anorganische materialen.

De differentiële scanning calorimeters (DSC) van METTLER TOLEDO zijn niet direct ontworpen voor het uitvoeren van differentiële thermische analyses (DTA's). Omdat DSC meer informatie geeft over de faseovergangen, thermische eigenschappen en het gedrag van materialen, wordt de DSC-techniek over het algemeen aanbevolen.

Bij het kiezen van een DSC-machine zijn er verschillende belangrijke parameters waarmee u rekening moet houden, waaronder:

• Temperatuurbereik: Het temperatuurbereik van de DSC-machine moet geschikt zijn voor uw toepassing. Als u bijvoorbeeld materialen analyseert die worden gebruikt in omgevingen met hoge temperaturen, hebt u een DSC-instrument nodig dat het monster kan verwarmen tot de gebruikstemperatuur.
• Verwarmings- en koelsnelheid: Deze moeten geschikt zijn voor uw monster en toepassing. Sommige DSC-machines bieden snellere verwarmings- en koelsnelheden dan andere, wat sommige toepassingen ten goede kan komen.
• Resolutie: Een instrument met hoge resolutie maakt een duidelijkere scheiding van overlappende thermische gebeurtenissen mogelijk. Dit kan gebeuren wanneer er meerdere overgangen of reacties plaatsvinden binnen een smal temperatuurbereik, waardoor het moeilijk is om onderscheid te maken tussen de afzonderlijke gebeurtenissen. Polymeren kunnen vaak overlappende thermische overgangen vertonen, zoals glasovergangen, smeltpunten en kristallisatie.
• Gevoeligheid: De gevoeligheid van het instrument bepaalt hoe zwak een thermische gebeurtenis kan worden gedetecteerd. Als u monsters met zwakke thermische effecten analyseert, hebt u een DSC-instrument met een hoge gevoeligheid nodig.
• Monstercapaciteit: De monsterrobotcapaciteit van de DSC-machine moet geschikt zijn voor uw workflows. De bemonsteringsrobot voor de DSC 5+ verwerkt bijvoorbeeld tot 96 monsters en 7 referentiekroezen.
• Atmosfeerregeling: Sommige DSC-machines bieden mogelijk de mogelijkheid om de ovenatmosfeer tijdens analyse te regelen, wat handig kan zijn voor het analyseren van materialen onder specifieke omstandigheden, zoals een gecontroleerde vochtigheid, of in aanwezigheid van een bepaald gas of zelfs een vacuüm.
• Software- en gegevensanalyse: De software- en gegevensanalysemogelijkheden van de DSC-machine moeten de nodige tools bieden voor het analyseren van uw gegevens. De STAR^e software van METTLER TOLEDO biedt vrijwel onbeperkte evaluatiemogelijkheden en biedt modulariteit, flexibiliteit en meetautomatisering. Deze software helpt ook gereguleerde industrieën om compliant te blijven. Al onze thermische analysesystemen worden aangestuurd vanuit één krachtig softwareplatform.
• Budget: De prijs van de DSC-machine is een belangrijke overweging, omdat deze binnen uw budget moet passen en toch de nodige functies en mogelijkheden voor uw toepassing moet bieden.

Rekening houdend met deze belangrijke parameters, kunt u een DSC-machine kiezen die geschikt is voor uw toepassing en analytische behoeften. Neem vandaag nog contact op met onze experts bij METTLER TOLEDO om onze DSC-oplossingen te ontdekken en het perfecte instrument voor uw behoeften te vinden.

Het gas in een DSC-oven speelt een cruciale rol in het experiment. Een inerte atmosfeer zoals stikstof, argon of helium voorkomt oxidatie door het monster af te schermen van zuurstof. Dit zorgt ervoor dat de verkregen resultaten nauwkeurig zijn en uitsluitend gebaseerd zijn op het gedrag van het monster. Als alternatief kan een oxidatieve atmosfeer zoals lucht of zuurstof nodig zijn, bijvoorbeeld in experimenten om de oxidatie-inductietijd (OIT) te bepalen.

Een ander effect is dat de thermische geleidbaarheid van het gas van invloed is op de snelheid waarmee warmte het monster en de sensor bereikt. Gassen met een hoge geleidbaarheid, zoals helium, kunnen bijvoorbeeld iets andere meetresultaten opleveren dan andere. Daarom is het selecteren van het juiste gas essentieel om ongewenste reacties te voorkomen en nauwkeurige resultaten te garanderen.

Naast het ovengas worden de monsters beschermd voordat het experiment begint, door gebruik te maken van een inert gas in de crucible kamer (die de monsters vasthoudt totdat de meting begint). Dit voorkomt niet alleen veranderingen in het monstermateriaal, maar zorgt er ook voor dat het gewicht van het monster hetzelfde blijft totdat de analyse begint.

In de vermogenscompensatiemodus wordt het temperatuurverschil tussen het monster en de referentie zo dicht mogelijk bij nul gehouden. In de DSC 5+ van METTLER TOLEDO wordt dit bereikt in één oven door middel van twee lokale verwarmers op de sensor, één onder het monster en één onder de referentie. Tijdens het standaard verwarmingsprogramma komt bijvoorbeeld bij een exotherm effect, zoals kristallisatie, energie vrij en wordt het monster heter dan de referentie, die de geprogrammeerde temperatuur volgt. De verwarmer aan de referentiezijde wordt dan geactiveerd, waardoor de referentietemperatuur wordt verhoogd totdat deze overeenkomt met de monstertemperatuur.

Een endotherm effect in het monster, zoals smelten, absorbeert energie en het monster wordt koeler dan de referentie. De monsterverwarmer wordt dan geactiveerd, waardoor de monstertemperatuur wordt verhoogd totdat deze overeenkomt met de referentietemperatuur.

De hoeveelheid vermogen die door de sensorverwarmers wordt ingebracht, wordt zeer nauwkeurig gemeten en gebruikt om de DSC-meetcurve uit te zetten. Dit resulteert in een warmtestroomsignaal met een uitstekende resolutie en een uitstekende scheiding van nabije effecten.

Het DSC 5+ thermische analysesysteem van METTLER TOLEDO is uitgerust met de MMS 1 MultiStar-sensor™, waarmee u de vermogenscompensatie of de warmtefluxmodus kunt selecteren, afhankelijk van uw toepassing. Het bevat 136 thermokoppels om een uitzonderlijke gevoeligheid en resolutie te bieden, waardoor de scheiding van nabijgelegen thermische effecten mogelijk is.

Ja! De differentiële scanning calorimeters van METTLER TOLEDO kunnen naadloos worden geïntegreerd met een aantal accessoires, zoals een monsterrobot. De innovatieve DSC 5+ bemonsteringsrobot bevat een gasgespoelde monsterkamer om monsters te beschermen tegen de omgeving en werkt automatisch zonder handmatige tussenkomst.

De bemonsteringsrobot kan tot 96 monsters en 7 referentie crucibles verwerken en zal de crucibles automatisch afvoeren nadat de meting is voltooid. Met het unieke dekselverwerkingssysteem is de monsterrobot in staat om het deksel van hermetisch afgesloten aluminium crucibles te doorboren of het beschermende deksel van niet-verzegelde crucibles te verwijderen, net voordat de meting begint. Dit betekent dat uw monsters beschermd zijn en dat de monstermassa niet verandert voordat het experiment begint.

Er kunnen ook vele andere opties en accessoires worden geïntegreerd met de differentiële scanning calorimeters van METTLER TOLEDO, waaronder de DSC microscopiekit, de DSC fotocalorimetriekit en diverse zeer gevoelige MultiSTAR® DSC keramische sensoren, om de prestaties te maximaliseren.

Bovendien kunnen onze DSC-instrumenten worden geïntegreerd met onze STARe-software om uw thermische analyse te verbeteren met ongeëvenaarde evaluatiemogelijkheden. Het modulaire ontwerp, de intuïtieve flexibiliteit en de automatiseringsfuncties van de software vereenvoudigen uw workflow en zorgen voor uitgebreide naleving binnen gereguleerde industrieën.

De thermische analysesoftware voor differentiële scanning calorimetrie stelt gebruikers in staat om eenvoudig experimenten op te zetten en uit te voeren. Dit omvat het definiëren van verwarmings-/koelsnelheden, temperatuurbereiken en parameters voor gegevensverzameling. De software moet de ruwe DSC-gegevens (warmtestroom vs. temperatuur) nauwkeurig registreren en weergeven. Het moet ook essentiële analyse-instrumenten bieden, zoals piekintegratie, basislijncorrectie en de berekening van gemeenschappelijke thermodynamische parameters.

Bovendien moeten gebruikers de mogelijkheid hebben om duidelijke en overzichtelijke rapporten te genereren die de experimentele gegevens, analyseresultaten en interpretaties samenvatten.

METTLER TOLEDO biedt de STAR^e software voor thermische analyse, de meest complete en uitgebreide software voor thermische analyse op de markt, die ongeëvenaarde flexibiliteit en onbeperkte evaluatiemogelijkheden biedt.

Differentiële scanning calorimetrie (DSC) heeft enkele beperkingen waarmee rekening moet worden gehouden.

Een beperkte resolutie kan het bijvoorbeeld moeilijk maken om onderscheid te maken tussen overlappende thermische effecten, zoals meerdere endotherme of exotherme pieken. In dit geval kan de temperatuurgemoduleerde DSC-methode worden gebruikt, of zelfs een TMA (thermomechanische analysator) of DMA (dynamische mechanische analysator) instrument.

Een andere mogelijke beperking is dat DSC een relatief kleine steekproefomvang vereist (meestal enkele milligrammen), die mogelijk niet representatief is voor het bulkmateriaal. Kleine monsters kunnen leiden tot een lage signaal-ruisverhouding, terwijl grote monsters mogelijk niet in de smeltkroezen passen.

DSC-resultaten kunnen worden beïnvloed door de morfologie, het oppervlak of de deeltjesgrootteverdeling van het monster. Daarom moet het monster homogeen zijn, aangezien eventuele onzuiverheden of variaties in het monster de resultaten kunnen beïnvloeden. Een zorgvuldige monstervoorbereiding is noodzakelijk.

Sommige experimenten kunnen extreem hoge verwarmings- en koelsnelheden vereisen die niet mogelijk zijn met conventionele DSC. In dit geval kan snelle scanning calorimetrie geschikt zijn voor materialen die zeer snelle thermische gebeurtenissen of reacties vertonen en om reorganisatieprocessen te bestuderen die niet mogelijk zijn met conventionele DSC.

Hoewel DSC een waardevolle techniek is voor thermische analyse, is het belangrijk om rekening te houden met deze beperkingen.