Calorimetria a scansione differenziale (DSC)

Il principio alla base della calorimetria differenziale a scansione (DSC) è che le variazioni di entalpia in un materiale (la quantità di energia assorbita o rilasciata da una sostanza durante una reazione chimica o un cambiamento fisico) possono essere rilevate e misurate. Queste variazioni di entalpia possono essere utilizzate per caratterizzare il materiale.

Se si verifica un effetto termico nel campione mentre viene riscaldato o raffreddato, la temperatura si discosterà dalla temperatura di riferimento, che segue la temperatura programmata. Misurando la differenza nelle variazioni di entalpia tra un campione e un riferimento, la DSC fornisce informazioni preziose sulle proprietà fisiche e chimiche del campione.

Ad esempio, quando un campione subisce un cambiamento di fase, assorbe o rilascia energia. Potrebbe trattarsi di un effetto esotermico come la cristallizzazione, in cui il campione rilascia energia e diventa più caldo del riferimento. Questa energia viene rilevata dallo strumento DSC. Misurando la differenza tra il flusso di calore del campione e il flusso di calore del riferimento, è possibile determinare la variazione di entalpia associata alla transizione di fase del campione.

I risultati della DSC sono tracciati come curva del flusso di calore in mW in funzione della temperatura o del tempo. La DSC può essere utilizzata per determinare molte proprietà termiche dei materiali analizzando la forma della curva del flusso di calore.

Guarda il nostro video per scoprire i vantaggi dei calorimetri a scansione  differenziale di METTLER TOLEDO.

METTLER TOLEDO offre due modalità di misura DSC: flusso di calore e compensazione della potenza.

DSC a flusso di calore: Durante il programma a temperatura controllata, un effetto termico nel campione farà sì che la sua temperatura si discosti dalla temperatura di riferimento. Ad esempio, un effetto esotermico come la cristallizzazione rilascia energia e il campione diventa più caldo del riferimento. Nel flusso di calore DSC, viene misurata la differenza di temperatura tra il campione e il riferimento. Per creare una curva di misurazione DSC, il flusso di calore viene calcolato dalla differenza di temperatura misurata. Tutti i nostri strumenti DSC possono misurare in modalità flusso di calore.

DSC a compensazione della potenza: In modalità di compensazione della potenza, viene misurata l'energia utilizzata per mantenere la differenza di temperatura tra il campione e il riferimento il più vicino possibile allo zero.  Nella DSC 5+ di METTLER TOLEDO, ciò si ottiene grazie a due riscaldatori locali sul sensore, uno sotto il crogiolo del campione e uno sotto il crogiolo di riferimento. Durante un effetto esotermico come la cristallizzazione, il campione diventa più caldo del riferimento. Il riscaldatore sul lato di riferimento si attiverà, aumentando la temperatura di riferimento fino a quando non corrisponderà alla temperatura del campione.

Un effetto endotermico nel campione, come la fusione, assorbe energia e il campione diventa più freddo del riferimento. Il riscaldatore del campione si attiverà, aumentando la temperatura del campione fino a raggiungere la temperatura di riferimento.

La quantità di potenza introdotta dai riscaldatori del sensore viene misurata in modo molto preciso. Ciò si traduce in un segnale di flusso di calore con una risoluzione eccezionale e un'eccellente separazione degli effetti ravvicinati.

Flash DSC, il calorimetro a scansione rapida di METTLER TOLEDO, utilizza anche la compensazione della potenza.

Oltre alla DSC a flusso di calore e a compensazione di potenza, esistono molti tipi di calorimetria a scansione differenziale, ognuno con i propri vantaggi e limiti. La scelta della tecnica DSC dipende dal campione specifico da studiare e dall'applicazione.

METTLER TOLEDO è un fornitore leader di calorimetri a scansione  differenziale (DSC). Offriamo un portafoglio diversificato di strumenti DSC, ciascuno progettato con caratteristiche e capacità uniche per soddisfare varie applicazioni. Esplora subito le nostre brochure dei prodotti per trovare la soluzione DSC perfetta per le tue esigenze.

La calorimetria a scansione differenziale ad alta pressione (HPDSC) consente di studiare il comportamento termico dei materiali in un ambiente ad alta pressione introducendo un gas pressurizzato per generare le condizioni richieste. I vantaggi dell'HPDSC includono tempi di analisi più brevi grazie alle reazioni accelerate e la simulazione delle condizioni di processo pressurizzate.

Calorimetria a scansione rapida DSC (Flash DSC)

La calorimetria a scansione rapida o la calorimetria a scansione differenziale flash (Flash DSC) viene utilizzata per studiare il comportamento termico dei materiali a velocità di riscaldamento e raffreddamento molto elevate. In Flash DSC, il campione è esposto a velocità di riscaldamento fino a 3.000.000 K/min e velocità di raffreddamento fino a 2.400.000 K/min, consentendo lo studio di materiali che presentano reazioni termiche estremamente veloci e l'analisi di processi di riorganizzazione che non sono possibili utilizzando DSC convenzionale.

La microscopia DSC consente di esaminare visivamente un campione mentre viene riscaldato o raffreddato. Questa tecnica è utile quando le curve DSC mostrano effetti che non possono essere immediatamente compresi o che generano poca o nessuna entalpia. Ciò consente, ad esempio, di identificare le transizioni solido-solido, gli effetti di sovrapposizione e il restringimento del campione da osservare.

La fotocolorimetria DSC (UV-DSC)  consente di studiare le reazioni di polimerizzazione fotoindotte, nonché gli effetti del tempo di esposizione e dell'intensità della luce UV sulle proprietà dei materiali.

La calorimetria a scansione differenziale (DSC) funziona misurando la quantità di energia assorbita o rilasciata da un campione (il flusso di calore) quando è sottoposto a un ciclo di riscaldamento o raffreddamento controllato, o mantenuto isotermicamente alla stessa temperatura. Al variare della temperatura, o con il tempo mantenuto a una certa temperatura, il campione subisce transizioni termiche, come fusione, cristallizzazione, transizione vetrosa, cambiamenti di fase o reazioni chimiche, durante le quali l'energia termica viene assorbita o rilasciata.

Utilizzando uno speciale tipo di sensore, la calorimetria differenziale a scansione rileva l'energia assorbita o rilasciata dal campione durante queste transizioni o eventi. La differenza nel flusso di calore tra un campione e un crogiolo di riferimento viene tracciata in mW in funzione della temperatura o del tempo per creare una curva di misura DSC. Le variazioni di entalpia associate agli eventi termici appaiono come picchi endotermici o esotermici sulla curva.

Valutare e interpretare la forma della curva del flusso di calore ci permette di determinare le caratteristiche termiche e il comportamento di un materiale. Il software di analisi termica viene utilizzato per controllare lo strumento e presentare e valutare la forma della curva di misura.

La calorimetria a scansione differenziale (DSC) è ampiamente utilizzata per studiare le proprietà termiche di diversi materiali come polimeri, compositi, prodotti chimici, petrolchimici, metalli, ceramiche, prodotti farmaceutici, oli e alimenti. Questa tecnica di analisi termica fornisce informazioni preziose sulle caratteristiche termiche e sul comportamento del campione ed è comunemente utilizzata per la ricerca di nuovi materiali, l'analisi dei guasti, gli studi di sicurezza e il controllo qualità.

Le applicazioni comuni della calorimetria a scansione differenziale includono:

• Stabilità termica (tempo di induzione dell'ossidazione, temperatura di decomposizione)
• Polimerizzazione e reazioni chimiche
• Cinetica (per l'indurimento, la shelf-life, la stabilità)
• Polimorfismo
• Determinazione della purezza e delle impurità
• Capacità termica specifica
• Identificazione (in base alla temperatura caratteristica di inizio della fusione o alla temperatura di transizione vetrosa)

La DSC è comunemente utilizzata nei seguenti settori:

• Prodotti farmaceutici: caratterizzazione dei composti farmaceutici, analisi della purezza e sviluppo di formulazioni farmacologiche stabili.
• Scienza dei polimeri: lo studio delle transizioni termiche come la transizione vetrosa, la cristallizzazione e la fusione, aiuta a ottimizzare la lavorazione e a comprendere le proprietà dei materiali.
• Scienza dell'alimentazione: Studiare il comportamento di grassi, amidi e altri componenti alimentari durante la lavorazione e la conservazione, per determinare la qualità del prodotto e la durata di conservazione.
• Scienza dei materiali: l'analisi delle transizioni di fase in vari materiali, dai metalli e ceramici ai compositi e ai nanomateriali, aiuta nel loro sviluppo e applicazione.

Scoprite la raccolta completa di applicazioni per l'analisi termica di METTLER TOLEDO, che copre un'ampia gamma di tecniche e argomenti analitici.

Per utilizzare un calorimetro differenziale a scansione (DSC), è necessario prima preparare un piccolo campione misurato con precisione e posizionarlo in un crogiolo o in un piatto per campioni . Se necessario, è possibile posizionare un coperchio sul crogiolo, a seconda dell'applicazione. Viene preparato un crogiolo di riferimento dello stesso tipo che in genere rimane vuoto. La preparazione del campione è fondamentale e deve essere eseguita correttamente, come spiegato in questo video Come preparare i campioni DSC .

Viene impostato il programma di temperatura, con le temperature di inizio e fine e le velocità di riscaldamento e raffreddamento appropriate. Il gas appropriato deve essere selezionato a seconda che sia necessaria un'atmosfera inerte o ossidante. Una volta che il forno DSC ha raggiunto la temperatura iniziale, il campione e i crogioli di riferimento vengono inseriti nel forno. Questa operazione può essere fatta manualmente o automaticamente con un robot campione. All'avanzamento del programma di temperatura, lo strumento DSC rileva la differenza di flusso di calore tra il campione e i crogioli di riferimento. I risultati vengono tracciati su una curva di misura che rappresenta le variazioni di entalpia del campione rispetto alla temperatura o al tempo.

Per informazioni più dettagliate sull'utilizzo degli strumenti DSC di METTLER TOLEDO, scarica il manuale.

DSC (calorimetria a scansione differenziale) e DTA (analisi termica differenziale) sono due tecniche di analisi termica utilizzate per studiare il comportamento termico dei materiali. Sebbene entrambe le tecniche comportino la misurazione delle variazioni di temperatura in un materiale, differiscono nel modo in cui queste variazioni vengono misurate e nel tipo di informazioni che forniscono.

La calorimetria a scansione differenziale misura la quantità di flusso di calore in entrata o in uscita da un campione quando è sottoposto a un programma di temperatura controllata, fornendo informazioni sui processi esotermici ed endotermici che si verificano nel campione in funzione della temperatura o del tempo. L'analisi termica differenziale fornisce informazioni solo sulla differenza di temperatura tra il campione e il riferimento.

La DSC è generalmente più adatta per studiare le transizioni di fase e le proprietà termiche dei materiali, come i punti di fusione, le transizioni vetrose e le variazioni di entalpia. Fornisce maggiori informazioni sul comportamento termico di un materiale e viene spesso utilizzata per caratterizzare polimeri, prodotti farmaceutici e altri materiali organici.

La DTA può essere utilizzata per studiare la stabilità termica e il comportamento all'ossidazione, come i punti di fusione e la stabilità termica dei materiali inorganici.

I calorimetri a scansione differenziale (DSC) di METTLER TOLEDO non sono progettati direttamente per l'esecuzione di analisi termiche differenziali (DTA). Poiché la DSC fornisce maggiori informazioni sulle transizioni di fase, sulle proprietà termiche e sul comportamento dei materiali, la tecnica DSC è generalmente consigliata.

Quando si sceglie una macchina DSC, ci sono diversi parametri chiave da considerare, tra cui:

• Intervallo di temperatura: L'intervallo di temperatura della macchina DSC deve essere appropriato per la propria applicazione. Ad esempio, se si analizzano materiali che devono essere utilizzati in ambienti ad alta temperatura, sarà necessario uno strumento DSC in grado di riscaldare il campione alla temperatura di utilizzo.
• Velocità di riscaldamento e raffreddamento: devono essere appropriati per il campione e l'applicazione. Alcune macchine DSC offrono velocità di riscaldamento e raffreddamento più elevate rispetto ad altre, il che può avvantaggiare alcune applicazioni.
• Risoluzione: Uno strumento ad alta risoluzione consente una separazione più chiara degli eventi termici sovrapposti. Ciò può verificarsi quando più transizioni o reazioni avvengono all'interno di un intervallo di temperatura ristretto, rendendo difficile distinguere tra i singoli eventi. I polimeri possono spesso presentare transizioni termiche sovrapposte, come transizioni vetrose, punti di fusione e cristallizzazione.
• Sensibilità: La sensibilità dello strumento determina la debolezza di un evento termico che è in grado di rilevare. Se si analizzano campioni con deboli effetti termici, è necessario uno strumento DSC ad alta sensibilità.
• Capacità del campione: la capacità del robot campione della macchina DSC deve essere appropriata per i flussi di lavoro. Ad esempio, il robot campione per il DSC 5+ gestisce fino a 96 campioni e 7 crogioli di riferimento.
• Controllo dell'atmosfera: Alcune macchine DSC possono offrire la possibilità di controllare l'atmosfera del forno durante l'analisi, il che può essere utile per analizzare i materiali in condizioni specifiche come un'umidità controllata, o in presenza di un particolare gas o anche di un vuoto.
• Software e analisi dei dati: il software e le capacità di analisi dei dati della macchina DSC dovrebbero fornire gli strumenti necessari per l'analisi dei dati. Il software STAR^e™ di METTLER TOLEDO offre possibilità di valutazione quasi illimitate, offrendo modularità, flessibilità e automazione delle misure. Questo software aiuta anche i settori regolamentati a rimanere conformi. Tutti i nostri sistemi di analisi termica sono controllati da un'unica potente piattaforma software.
• Budget: il prezzo della macchina DSC è una considerazione importante, in quanto dovrebbe rientrare nel budget pur fornendo le caratteristiche e le capacità necessarie per l'applicazione.

Considerando questi parametri chiave, è possibile scegliere una macchina DSC adatta alle proprie esigenze applicative e analitiche. Contatta oggi stesso i nostri esperti METTLER TOLEDO per scoprire le nostre soluzioni DSC e trovare lo strumento perfetto per le vostre esigenze.

Il gas all'interno di un forno DSC gioca un ruolo cruciale nell'esperimento. Un'atmosfera inerte come azoto, argon o elio previene l'ossidazione proteggendo il campione dall'ossigeno. Ciò garantisce che i risultati ottenuti siano accurati e basati esclusivamente sul comportamento del campione. In alternativa, può essere necessaria un'atmosfera ossidativa come l'aria o l'ossigeno, ad esempio negli esperimenti per determinare il tempo di induzione dell'ossidazione (OIT).

Un altro effetto è che la conduttività termica del gas influisce sulla velocità con cui il calore raggiunge il campione e il sensore. Ad esempio, i gas ad alta conduttività, come l'elio, possono fornire risultati di misurazione leggermente diversi rispetto ad altri. Pertanto, la selezione del gas appropriato è essenziale per prevenire reazioni indesiderate e garantire risultati accurati.

Oltre al gas del forno, utilizzando un gas inerte nella camera del crogiolo (che trattiene i campioni fino all'inizio della misurazione), i campioni vengono protetti prima dell'inizio dell'esperimento. In questo modo non solo si evitano modifiche al materiale del campione, ma si garantisce anche che il peso del campione rimanga invariato fino all'inizio dell'analisi.

In modalità di compensazione della potenza, la differenza di temperatura tra il campione e il riferimento viene mantenuta il più vicino possibile allo zero. Nel DSC 5+ di METTLER TOLEDO, ciò si ottiene in un unico forno mediante due riscaldatori locali situati sul sensore, uno sotto il campione e uno sotto il riferimento. Ad esempio, durante il programma di riscaldamento standard, un effetto esotermico come la cristallizzazione rilascia energia e il campione diventa più caldo del riferimento, che segue la temperatura programmata. Il riscaldatore sul lato di riferimento si attiverà, aumentando la temperatura di riferimento fino a quando non corrisponderà alla temperatura del campione.

Un effetto endotermico nel campione, come la fusione, assorbe energia e il campione diventa più freddo del riferimento. Il riscaldatore del campione si attiverà, aumentando la temperatura del campione fino a quando non corrisponderà alla temperatura di riferimento.

La quantità di potenza introdotta dai riscaldatori del sensore viene misurata in modo molto preciso e utilizzata per tracciare la curva di misurazione DSC. Ciò si traduce in un segnale di flusso di calore con una risoluzione eccezionale e un'eccellente separazione degli effetti ravvicinati.

Il sistema di analisi termica DSC 5+ di METTLER TOLEDO è dotato del sensore MMS 1 MultiStar™, che consente di selezionare la compensazione della potenza o la modalità del flusso di calore a seconda dell'applicazione. Contiene 136 termocoppie per offrire una sensibilità e una risoluzione eccezionali, consentendo la separazione degli effetti termici ravvicinati.

Sì! I calorimetri  a scansione differenziale METTLER TOLEDO possono essere perfettamente integrati con una serie di accessori, come ad esempio un robot campione. L'innovativo robot di campionamento DSC 5+ include una camera di campionamento spurgata a gas per proteggere i campioni dall'ambiente e funziona automaticamente senza intervento manuale.

Il robot campione è in grado di gestire fino a 96 campioni e 7 crogioli di riferimento e smaltisce automaticamente i crogioli al termine della misurazione. Con l'esclusivo sistema di gestione del coperchio, il robot campione è in grado di perforare il coperchio dei crogioli di alluminio sigillati ermeticamente o di rimuovere il coperchio protettivo dei crogioli non sigillati, appena prima dell'inizio della misurazione. Ciò significa che i campioni sono protetti e la massa del campione non cambia prima dell'inizio dell'esperimento.

Per massimizzare le prestazioni, è inoltre possibile integrare molte altre opzioni e accessori con i calorimetri a scansione differenziale METTLER TOLEDO, tra cui il kit per microscopia DSC, il kit per fotocalorimetria DSC e vari sensori ceramici MultiSTAR® DSC ad alta sensibilità.

Inoltre, i nostri strumenti DSC possono essere integrati con il nostro software STARe per migliorare l'analisi termica con capacità di valutazione senza precedenti. Il design modulare, la flessibilità intuitiva e le funzioni di automazione del software semplificano il flusso di lavoro, garantendo una conformità completa all'interno dei settori regolamentati.

Il software di analisi termica utilizzato per la calorimetria a scansione differenziale consente agli utenti di impostare ed eseguire facilmente esperimenti. Ciò include la definizione delle velocità di riscaldamento/raffreddamento, degli intervalli di temperatura e dei parametri di acquisizione dei dati. Il software deve registrare e visualizzare con precisione i dati DSC grezzi (flusso di calore rispetto alla temperatura). Dovrebbe inoltre fornire strumenti di analisi essenziali come l'integrazione dei picchi, la correzione della linea di base e il calcolo dei parametri termodinamici comuni.

Inoltre, gli utenti dovrebbero avere la possibilità di generare report chiari e ben organizzati che riassumano i dati sperimentali, i risultati delle analisi e le interpretazioni.

METTLER TOLEDO offre il software di analisi termica STAR^e, il software di analisi termica più completo e completo sul mercato, che offre una flessibilità impareggiabile e possibilità di valutazione illimitate.

La calorimetria a scansione differenziale (DSC) presenta alcune limitazioni che devono essere tenute a mente.

Ad esempio, una risoluzione limitata può rendere difficile distinguere tra effetti termici sovrapposti, come picchi endotermici o esotermici multipli. In questo caso si può utilizzare il metodo DSC a modulazione di temperatura, o anche uno strumento TMA (analizzatore termomeccanico) o DMA (analizzatore meccanico dinamico).

Un'altra potenziale limitazione è che la DSC richiede una dimensione del campione relativamente piccola (di solito pochi milligrammi), che potrebbe non essere rappresentativa del materiale sfuso. Campioni di piccole dimensioni possono portare a un basso rapporto segnale/rumore, mentre campioni di grandi dimensioni potrebbero non entrare nei crogioli.

I risultati della DSC possono essere influenzati dalla morfologia del campione, dall'area superficiale o dalla distribuzione granulometrica. Pertanto, il campione deve essere omogeneo, poiché eventuali impurità o variazioni nel campione possono influire sui risultati. È necessaria un'attenta preparazione del campione .

Alcuni esperimenti possono richiedere velocità di riscaldamento e raffreddamento estremamente elevate che non sono possibili utilizzando la DSC convenzionale. In questo caso, la calorimetria a scansione rapida può essere appropriata per materiali che presentano eventi o reazioni termiche molto veloci e per studiare processi di riorganizzazione che non sono possibili utilizzando la DSC convenzionale.

Sebbene la DSC sia una tecnica preziosa per l'analisi termica, è importante considerare queste limitazioni.