التحليل الحراري UserCom 39

يتيح لك قياس درجة غليان السائل عند قيم ضغط مختلفة تحديد منحنى ضغط البخار. وإلى جانب هذا، يمكن تحديد المحتوى الحراري للسائل من خلال هذه القياسات باستخدام معادلة Clausius–Clapeyron. وسنعرض في هذه المقالة كيفية إجراء هذه القياسات في DSC عالي الضغط باستخدام الماء كمثال.

مقدمة

تعتمد درجة غليان السائل على ضغط البيئة المحيطة: فكلما كان الضغط منخفضًا، انخفضت درجة حرارة غليان السائل.

فعلى قمة جبل إفرست على سبيل المثال، يُقدَر ضغط الهواء بحوالي 325 مللي بار فقط، ويغلي الماء عند حوالي 70 درجة مئوية وليس عند 100 درجة مئوية كما هي الحال عند مستوى سطح البحر. ويمكن بسهولة قياس اعتمادية الضغط على درجة الغليان بواسطة DSC عالي الضغط (HPDSC).

يمكن أيضًا تحديد المحتوى الحراري للتبخر من خلال هذه القياسات باستخدام معادلة Clausius–Clapeyron [1].

تصف معادلة Clausius–Clapeyron العلاقة بين ضغط بخار المادة p ودرجة غليانها T:

[…]

المراجع

[1] ASTM E2071, Standard Practice for Calculating Heat of Vaporization or Sublimation from Vapor Pressure Data ( 2010 )

إن تحديد تركيبات مستحلبات نترات الأمونيوم يعد ضروريًا لمراقبة معايير الجودة للمستحلبات بالإضافة إلى استقرارها في أثناء التخزين من أجل التنبؤ بعمرها الافتراضي. يمكن أن يستغرق فحص هذه الأنواع من المستحلبات وقتًا طويلاً بسبب الحاجة المعتادة لمجموعة من الأساليب المختلفة. من خلال مساعدة تقنيات التحليل الحراري التكميلية (TGA وDSC)، يمكن تقريبًا تحديد جميع مكونات المستحلب كميًا بالحد الأدنى من العمل التحليلي. يتم عرض الطرق المختلفة في هذه المقالة.

مقدمة

تعد مستحضرات نترات الأمونيوم "الماء في الزيت" هي المكونات الرئيسية لمتفجرات المستحلبات. وبالمقارنة مع الديناميت التقليدي القائم على النتروجليسرين، يتضح أن هذه المتفجرات لها العديد من المزايا. بعد تطويرها في عام 1962 [1، 2]، أصبحت تستخدم على نطاق واسع بسبب خصائص السلامة الجيدة (المعالجة، عدم الحساسية لتغير درجة الحرارة)، ومعدل تفجيرها العالي، وانخفاض تكلفتها الأساسية.

المستحلب نفسه ليس متفجرًا. يتم الحصول على المتفجرات التجارية الفعالة عند خلط فقاعات الزجاج أو البلاستيك الصغيرة، مما يقلل من كثافة النظام، والجزيئات المعدنية (اختياريًا) مثل مسحوق الألومنيوم مثل الوقود عالي الطاقة، مع مستحلب. ويمكن تحضير المتفجرات في وحدة متنقلة في الموقع قبل ضخ المادة المتفجرة النهائية في الحفرة [1].

في المستحلب، تتكون المرحلة المائية من محلول فوق مشبع من نترات الأمونيوم (AN)، شبه المستقر بسبب التشبع الفائق. في بعض الأحيان، تتم إضافة أملاح أخرى مثل نترات الصوديوم (SN) أو نترات الكالسيوم.

يتم استحلاب المرحلة المائية مع حجم قطرة يقدر بحوالي 1 ميكرومتر في حجم صغير من الزيت الهيدروكربوني، الذي يشكل طبقة رقيقة حول القطرات. وتحتوي المرحلة المائية المشتتة على ما يقرب من 90 % من الكسر السائل وتتناسب نسبة الكتلة المتبقية 10% مع المرحلة الزيتية.

وتشكل نترات الأمونيوم حوالي 60 إلى 80 في المائة من التركيبة الكلية وهي المكون الرئيسي للمستحلب. يتيح العامل المستحلب تشكيل واستقرار المستحلب، الذي يتكون من مرحلتين مع قطبية مختلفة تمامًا [1].

أثناء التخزين، يمكن أن يؤدي تبخر الماء إلى تبلور نترات الأمونيوم. يؤدي التبلور إلى تعطل المستحلب وفقد الخصائص المتفجرة. من ناحية أخرى، يعمل محتوى الماء المرتفع للغاية على تثبيط التفجير.

لهذا السبب، تتطلب اختبارات الاستقرار نتائج دقيقة وصحيحة لمحتوى الماء وحالة نترات الأمونيوم فيما يتعلق بمراحلها غير المتبلورة أو البلورية [1]. تعد محتويات نترات الأمونيوم والزيت الهيدروكربوني مهمة لمراقبة جودة المستحلب.

يمكن أن يكون التحليل الكمي للمستحلب مستهلكًا للوقت لأن الجمع بين أساليب مختلفة عادة ما يكون ضروريًا للكشف عن مجموعة من المركبات الكيميائية وتحديدها [3]. بمساعدة تقنيات التحليل الحراري التكميلية (TGA وDSC)، هناك حاجة إلى الحد الأدنى من العمل التحليلي لإجراء التحديد الكمي لجميع المكونات تقريبًا في مستحلبات نترات الأمونيوم. وبالإضافة إلى ذلك، فإن عملية الفصل، التي تستغرق وقتًا طويلاً، للمراحل المائية والزيتية ليست ضرورية، لذلك لا يمكن أن تنشأ أخطاء بسبب ذلك.

[…]

المراجع

[1] H. A. Bampfield and J. Cooper, In: Encyclopedia of Emulsion Technology; P. Becher ( Ed. ); Applications; Marcel Dekker Inc., New York, Vol. 3 ( 1988 ), 282– 306.
[2] C. Oommen et al, J. Hazard. Mater., Vol. A67 ( 1999 ), 253 – 281.
[3] D. T. Burns et al, J. Anal. Chim. Acta, Vol. 375 ( 1998 ), 255 – 260.

في الوقت الحاضر، يُستخدم البروتين الطبيعي أو علاج الكيراتين لتسوية الشعر ومنعه من التجعد، مع منحه مظهرًا أكثر لمعانًا في الوقت نفسه. إلا أن هناك مخاطر مرتبطة بأنواع عديدة من العلاجات، ومن المهم أن تكون على دراية كاملة بالآثار الضارة المحتملة لاختيار علاج آمن. ومن ثم فإن التحليل الحراري الميكانيكي (TMA) هو تقنية جيدة لتوصيف الخواص الميكانيكية والفيزيائية للشعر.

مقدمة

يقيس التحليل الحراري الميكانيكي (TMA) سلوك تمدد وانكماش المواد باعتباره دالة للوقت أو درجة الحرارة بينما تتعرض هذه المواد لقوة محددة [1، 2].

تتوفر أوضاع قياس مختلفة مع ملحقات تثبيت مناسبة. وتتيح هذه الأوضاع تحليل خيوط أو طبقات أو ألياف رقيقة مثل الشعر.

يمكن تثبيت جميع أنواع الشعر حتى الأنواع الرفيعة للغاية في ملحق الشد بمساعدة المشابك النحاسية.

في هذا المثال التطبيقي، تم قياس شعرتين مختلفتين - شعرة طبيعية لم تتم معالجتها وشعرة طبيعية خضعت لمعالجة شعر لامع ومترابط - في وضع شد تصل درجة حرارته إلى 230 درجة مئوية. وتمت مقارنة عينات الشعر من حيث سلوك انكماشها وتمددها وثباتها الحراري.

إن شعر رأس الإنسان عبارة عن ألياف طبيعية أنتجها الكيراتين، وهو بروتين يحتوي على تركيز عالٍ من الكبريت الذي يتولد من سيستئين الحمض الأميني. وتشغل القشرة معظم منطقة الشعر. وتضفي ألياف الكيراتين بالقشرة قوة على الشعر؛ حيث تنضغط سلاسلها الطويلة لتشكل بنية منتظمة. وأهم الخواص المادية التي يتميز بها الشعر هي مقاومته للتمزق؛ لكن هناك أهمية أيضًا للخواص المتعلقة بالمرونة والألفة للماء.

بوجه عام، يشيع استخدام منتجات العناية (معالجة) بالشعر ليظهر بالشكل أو القوام المطلوبين. ورغم ذلك، قد تسبب منتجات العناية ضررًا لجزيئات الشعر مما يؤدي إلى جفافه ونحافته وضعفه. وقد نشأ عن طلب المنتجات التي تحسِّن من مظهر الشعر وشكله تضخم صناعة منتجات العناية بالشعر.

إن توصيف الخواص البنيوية والفيزيائية والميكانيكية للشعر يعد ضروريًا لتطوير مستحضرات تجميل مبتكرة. وقد تكون طرقًا مثل التحليل الحراري الميكانيكي (TMA) مفيدة للغاية لهذا النوع من الأعمال.

[…]

المراجع

[1] PET, Physical curing by DLTMA, UserCom 5, 15
[2] Interpreting TMA curves, UserCom 14, 1

يمكن تحديد السعة الحرارية للمواد بدقة عالية باستخدام كالوريمتر المسح الضوئي التفاضلي (DSC) بدرجة حرارة معدلة. ويمكن إجراء قياسات حتى 700 درجة مئوية بواسطة DSC التقليدي. وفي هذه المقالة، سنعرض كيف يمكن استخدام TGA/DSC 1 أيضًا للحصول على نتائج جيدة عندما تتجاوز درجة الحرارة 1000 درجة مئوية. وللقيام بذلك، نعرض قياسات كالوريمتر المسح الضوئي التفاضلي المتناوب (ADSC) للنيكل والزّفِير (الياقوت الأزرق) والموليبدنوم في درجة حرارة تتراوح بين 900 و1400 درجة مئوية. والعمل الذي نشأ كجزء من الاختبار داخل المعامل تم تنظيمه في 2012/2013 بواسطة مجموعة الفيزياء الحرارية بالاتحاد الألماني للتحليل الحراري (Gefta).

مقدمة

يتوفر العديد من الإجراءات المتنوعة لتحديد السعة الحرارية المحددة بواسطة كالوريمتر المسح الضوئي التفاضلي (DSC)، على سبيل المثال، طريقة الزّفِير (الياقوت الأزرق) [1، 2]. ورغم ذلك، تُقدَر درجة الحرارة القصوى لـ DSC بـ 700 درجة مئوية. تصف المقالة الواردة في المرجع [3] كيف يمكن تحديد سعات حرارية معينة باتباع طريقة الزّفِير عندما تصل درجة الحرارة إلى 1400 درجة مئوية وبدقة تُقدر بحوالي 10%. وقد وردت أمثلة التطبيق في المرجع [4].

عند استخدام TGA/DSC لتحديد سعة حرارية معينة، يتم تقييم إشارة التدفق الحراري المقيسة بالتزامن مع إشارة TGA كما هو الحال في قياسات DSC. تتضمن طرق DSC الأخرى المتاحة تقنيات درجة الحرارة المعدلة المتمثلة في IsoStep^®‎ [5] وSteady-State (الحالة الثابتة) [3] وADSC [6] وTOPEM^®‎ [7، 8]. ولا يتم تنفيذ TOPEM^®‎ حاليًا مع TGA/DSC.

مقارنة بطريقة الزّفِير، تتمتع طُرق درجة الحرارة المعدَّلة بأنها أقل تأثرًا بالانحراف، ومن ثم تصل دقتها إلى 2%. ويمكن تحديد السعات الحرارية أيضًا في ظروف متساوية الحرارة باستخدام Steady-State (الحالة المستقرة) وADSC وTOPEM^®‎.

إضافة إلى ذلك، يتم الحصول على معلومات حول إسهامات السعة الحرارية الكامنة والمحسوسة. ورغم ذلك، تتطلب هذه الطرق أوقات قياس أطول إلى حد ما مقارنة بطريقة الزّفِير. في هذا المقال، سنعرض قياسات معينة للسعة الحرارية تم تحديدها بواسطة كالوريمتر المسح الضوئي التفاضلي المتناوب (ADSC) في نطاق درجة حرارة بين 900 و1400 درجة مئوية. وتم إجراء القياسات باستخدام TGA/DSC 1.

[…]

المراجع

[1] Measuring specific heat capacity, UserCom 7, 1 – 5.
[2] G. W. H. Höhne, W. Hemminger and H.-J. Flammersheim: Differential Scanning Calorimetry, Springer Verlag, 1996, 118.
[3] Heat capacity determination at high temperatures by TGA / DSC, Part 1: DSC standard procedures, UserCom 27, 1 – 4.
[4] Heat capacity determination at high temperatures by TGA / DSC, Part 2: Applications, UserCom 28, 1 – 4.
[5] Iso-Step™: UserCom 15, 8, The investigation of curing reactions with IsoStep™ : UserCom 15, 18 – 19.
[6] Alternating differential scanning calorimetry, ADSC, opens new possibilities, UserCom 2, 5 – 6.
[7] J. Schawe, The separation of sensible and latent heat flow using TOPEM^®, UserCom 22, 16 – 19.
[8] J. Schawe et. al., Stochastic temperature modulation: A new technique in temperature modulated DSC, Thermochimica Acta 446 (2006) 147.