Diferenční skenovací kalorimetrie (DSC)

Princip diferenciální skenovací kalorimetrie (DSC) spočívá v tom, že lze detekovat a měřit změny entalpie v materiálu (množství energie absorbované nebo uvolněné látkou během chemické reakce nebo fyzikální změny). Tyto změny entalpie lze použít k charakterizaci materiálu.

Pokud dojde k tepelnému efektu ve vzorku při jeho zahřívání nebo ochlazování, teplota se bude lišit od referenční teploty, která se řídí naprogramovanou teplotou. Měřením rozdílu ve změnách entalpie mezi vzorkem a referencí poskytuje DSC cenné informace o fyzikálních a chemických vlastnostech vzorku.

Například, když vzorek prochází fázovou změnou, buď absorbuje, nebo uvolňuje energii. Může se jednat o exotermický efekt, jako je krystalizace, kdy vzorek uvolňuje energii a zahřívá se více než referenční. Tato energie je detekována přístrojem DSC. Měřením rozdílu mezi tepelným tokem vzorku a tepelným tokem reference můžete určit změnu entalpie spojenou s fázovým přechodem vzorku.

Výsledky DSC jsou vyneseny jako křivka tepelného toku v mW jako funkce teploty nebo času. DSC lze použít ke stanovení mnoha tepelných vlastností materiálů analýzou tvaru křivky tepelného toku.

Podívejte se na naše video a seznamte se s výhodami diferenčních skenovacích kalorimetrů METTLER TOLEDO.

METTLER TOLEDO nabízí dva režimy měření DSC: tepelný tok a kompenzaci výkonu.

Tepelný tok DSC: Během programu řízené teploty tepelný efekt ve vzorku způsobí, že se jeho teplota odchýlí od referenční teploty. Například exotermický efekt, jako je krystalizace, uvolňuje energii a vzorek se zahřívá více než referenční. V tepelném toku DSC se měří teplotní rozdíl mezi vzorkem a referencí. Pro vytvoření křivky měření DSC se tepelný tok vypočítá z naměřeného rozdílu teploty. Všechny naše přístroje DSC mohou měřit v režimu tepelného toku.

Kompenzace výkonu DSC: V režimu kompenzace výkonu se měří energie použitá k udržení teplotního rozdílu mezi vzorkem a referencí co nejblíže nule.  V přístroji METTLER TOLEDO DSC 5+ je toho dosaženo pomocí dvou lokálních ohřívačů na senzoru, jednoho pod kelímkem vzorku a jednoho pod referenčním kelímkem. Během exotermického efektu, jako je krystalizace, se vzorek zahřeje více než referenční. Poté se aktivuje ohřívač na referenční straně a zvýší referenční teplotu, dokud se neshoduje s teplotou vzorku.

Endotermický efekt ve vzorku, jako je tání, absorbuje energii a vzorek se stává chladnějším než referenční. Poté se aktivuje sample ohřívač se aktivuje a zvyšuje sample teplota dokud nedosáhne referenční teploty.

Množství energie přiváděné senzorovými ohřívači je velmi přesně měřeno. Výsledkem je signál tepelného toku s vynikajícím rozlišením a vynikající separací blízkých efektů.

Rychlý skenovací kalorimetr METTLER TOLEDO Flash DSC také využívá kompenzaci výkonu.

Kromě DSC s kompenzací tepelného toku a výkonu existuje mnoho typů diferenciální skenovací kalorimetrie, z nichž každá má své výhody a omezení. Volba techniky DSC závisí na konkrétním studovaném vzorku a aplikaci.

Společnost METTLER TOLEDO je předním dodavatelem diferenciálních skenovacích kalorimetrů (DSC). Nabízíme rozmanité portfolio DSC přístrojů, z nichž každý je navržen s jedinečnými funkcemi a schopnostmi, aby vyhovoval různým aplikacím. Prozkoumejte naše produktové brožury a najděte dokonalé řešení DSC, které vyhovuje vašim potřebám.

Vysokotlaká diferenciální skenovací kalorimetrie (HPDSC) umožňuje studovat tepelné chování materiálů ve vysokotlakém prostředí zavedením stlačeného plynu za účelem vytvoření požadovaných podmínek. Mezi výhody HPDSC patří kratší doba analýzy díky zrychleným reakcím a simulace tlakových procesních podmínek.

Rychlá skenovací kalorimetrie DSC (Flash DSC)

Rychlá skenovací kalorimetrie nebo Flash Differential Scanning Calorimetry (Flash DSC) se používá ke studiu tepelného chování materiálů při velmi vysokých rychlostech ohřevu a chlazení. Při Flash DSC je vzorek vystaven rychlostem ohřevu až 3 000 000 K/min a rychlosti chlazení až 2 400 000 K/min, což umožňuje studium materiálů, které vykazují extrémně rychlé tepelné reakce, a analýzu reorganizačních procesů, které nejsou možné pomocí konvenčního DSC.

DSC-mikroskopie umožňuje vizuální zkoumání vzorku, když je zahříván nebo ochlazován. Tato technika je užitečná, když křivky DSC vykazují efekty, které nelze okamžitě pochopit nebo které generují malou nebo žádnou entalpii. To umožňuje například identifikovat přechody pevná látka-tělesa, překrývající se efekty a smrštění vzorku, které má být pozorováno.

DSC-fotokolorimetrie (UV-DSC) umožňuje studovat fotoindukované vytvrzovací reakce a také zkoumat vliv doby expozice a intenzity UV záření na vlastnosti materiálu.

Diferenční skenovací kalorimetrie (DSC) funguje tak, že měří množství energie absorbované nebo uvolněné vzorkem (tepelný tok), když je vystaven řízenému cyklu ohřevu nebo chlazení nebo je udržován izotermicky při stejné teplotě. Při změně teploty nebo s časem udržovaným při určité teplotě prochází vzorek tepelnými přechody, jako je tání, krystalizace, skelný přechod, fázové změny nebo chemické reakce, během kterých je tepelná energie buď absorbována, nebo uvolněna.

Pomocí speciálního typu senzoru diferenciální skenovací kalorimetrie detekuje energii absorbovanou nebo uvolněnou vzorkem během těchto přechodů nebo událostí. Rozdíl v tepelném toku mezi vzorkem a referenčním kelímkem se vykreslí v mW jako funkce teploty nebo času pro vytvoření měřicí křivky DSC. Změny entalpie spojené s tepelnými jevy se jeví jako endotermické nebo exotermické píky na křivce.

Vyhodnocení a interpretace tvaru křivky tepelného toku nám umožňuje určit tepelné charakteristiky a chování materiálu. Software pro termickou analýzu se používá k ovládání přístroje a prezentaci a vyhodnocení tvaru měřicí křivky.

Diferenční skenovací kalorimetrie (DSC) je široce používána pro zkoumání tepelných vlastností různých materiálů, jako jsou polymery, kompozity, chemikálie, petrochemie, kovy, keramika, léčiva, oleje a potraviny. Tato technika termické analýzy poskytuje cenné informace o tepelných charakteristikách a chování vzorku a běžně se používá pro výzkum nových materiálů, analýzu poruch, bezpečnostní studie a kontrolu kvality.

Mezi běžné aplikace diferenciální skenovací kalorimetrie patří:

• Tepelná stabilita (doba indukce oxidace, teplota rozkladu)
• Vytvrzování a chemické reakce
• Kinetika (pro vytvrzování, trvanlivost, stabilita)
• Polymorfizmus
• Stanovení čistoty a nečistot
• Měrná tepelná kapacita
• Identifikace (na základě charakteristické teploty nástupu tavení nebo teploty skelného přechodu)

DSC se běžně používá v následujících odvětvích:

• Léčiva: Charakterizace sloučenin léčiv, analýza čistoty a vývoj stabilních lékových forem.
• Věda o polymerech: Studium tepelných přechodů, jako je skelný přechod, krystalizace a tání, pomáhá optimalizovat zpracování a porozumět vlastnostem materiálů.
• Potravinářská věda: Zkoumání chování tuků, škrobů a dalších složek potravin během zpracování a skladování za účelem stanovení kvality a trvanlivosti produktu.
• Materiálová věda: Analýza fázových přechodů v různých materiálech, od kovů a keramiky až po kompozity a nanomateriály, pomáhá při jejich vývoji a aplikaci.

Seznamte se s ucelenou kolekcí aplikací termické analýzy METTLER TOLEDO, která pokrývá širokou škálu technik a analytických témat.

Chcete-li použít přístroj diferenciálního skenovacího kalorimetru (DSC), musíte nejprve připravit malý, přesně změřený vzorek a umístit jej do kelímku nebo pánve se vzorkem . V případě potřeby lze kelímek v závislosti na aplikaci nasadit na kelímek víko. Připraví se referenční kelímek stejného typu, který obvykle zůstává prázdný. Příprava vzorků je klíčová a musí být provedena správně, což je vysvětleno v tomto videu Jak připravit vzorky DSC .

Je nastaven teplotní program s počáteční a koncovou teplotou a vhodnou rychlostí ohřevu a chlazení. Vhodný pecní plyn musí být zvolen v závislosti na tom, zda je požadována inertní nebo oxidační atmosféra. Jakmile pec DSC dosáhne počáteční teploty, vzorek a referenční kelímky se vloží do pece. To lze provést ručně nebo automaticky pomocí vzorkovacího robota. V průběhu teplotního programu přístroj DSC detekuje rozdíl v tepelném toku mezi vzorkem a referenčními kelímky. Výsledky jsou vyneseny na měřicí křivku, která představuje změny entalpie vzorku v závislosti na teplotě nebo čase.

Chcete-li získat podrobnější informace o používání přístrojů METTLER TOLEDO DSC, stáhněte si příručku.

DSC (diferenciální skenovací kalorimetrie) a DTA (diferenciální termická analýza) jsou dvě techniky termické analýzy používané ke studiu tepelného chování materiálů. Ačkoli obě techniky zahrnují měření teplotních změn v materiálu, liší se způsobem měření těchto změn a typem informací, které poskytují.

Diferenční skenovací kalorimetrie měří množství tepelného toku do nebo ze vzorku, když je vystaven řízenému teplotnímu programu, a poskytuje informace o exotermických a endotermických procesech, které se vyskytují ve vzorku v závislosti na teplotě nebo čase. Diferenční termická analýza poskytuje informace pouze o teplotním rozdílu mezi vzorkem a referencí.

DSC je obecně vhodnější pro studium fázových přechodů a tepelných vlastností materiálů, jako jsou teploty tání, skelné přechody a změny entalpie. Poskytuje více informací o tepelném chování materiálu a často se používá k charakterizaci polymerů, léčiv a dalších organických materiálů.

DTA lze použít ke studiu tepelné stability a oxidačního chování, jako jsou teploty tání a tepelná stabilita anorganických materiálů.

Diferenční skenovací kalorimetry (DSC) METTLER TOLEDO nejsou přímo určeny k provádění diferenční termické analýzy (DTA). Vzhledem k tomu, že DSC poskytuje více informací o fázových přechodech, tepelných vlastnostech a chování materiálů, je technika DSC obecně doporučována.

Při výběru stroje DSC byste měli zvážit několik klíčových parametrů, včetně:

• Teplotní rozsah: Teplotní rozsah stroje DSC by měl být vhodný pro vaši aplikaci. Pokud například analyzujete materiály, které mají být použity v prostředí s vysokou teplotou, budete potřebovat přístroj DSC, který dokáže ohřát vzorek na provozní teplotu.
• Rychlost ohřevu a chlazení: Měla by být vhodná pro váš vzorek a aplikaci. Některé stroje DSC nabízejí rychlejší rychlost ohřevu a chlazení než jiné, což může být pro některé aplikace přínosem.
• Rozlišení: Přístroj s vysokým rozlišením umožňuje jasnější oddělení překrývajících se tepelných událostí. K tomu může dojít, když v úzkém teplotním rozsahu dochází k vícenásobným přechodům nebo reakcím, což ztěžuje rozlišení mezi jednotlivými událostmi. Polymery mohou často vykazovat překrývající se tepelné přechody, jako jsou skelné přechody, teploty tání a krystalizace.
• Citlivost: Citlivost přístroje určuje, jak slabý tepelný jev dokáže detekovat. Pokud analyzujete vzorky se slabými tepelnými účinky, budete potřebovat DSC přístroj s vysokou citlivostí.
• Kapacita vzorku: Kapacita vzorkovacího robota stroje DSC by měla být vhodná pro vaše pracovní postupy. Například vzorkovací robot pro DSC 5+ zpracovává až 96 vzorků a 7 referenčních kelímků.
• Řízení atmosféry: Některé stroje DSC mohou nabízet možnost řídit atmosféru pece během analýzy, což může být užitečné pro analýzu materiálů za specifických podmínek, jako je řízená vlhkost nebo v přítomnosti konkrétního plynu nebo dokonce vakua.
• Software a analýza dat: Software stroje DSC a možnosti analýzy dat by měly poskytovat potřebné nástroje pro analýzu vašich dat. Software STAR^E™ od společnosti METTLER TOLEDO nabízí téměř neomezené možnosti vyhodnocení a nabízí modularitu, flexibilitu a automatizaci měření. Tento software také pomáhá regulovaným odvětvím zůstat v souladu s předpisy. Všechny naše systémy termické analýzy jsou řízeny z jedné výkonné softwarové platformy.
• Rozpočet: Cena stroje DSC je důležitým faktorem, protože by se měla vejít do vašeho rozpočtu a zároveň poskytovat potřebné funkce a možnosti pro vaši aplikaci.

S ohledem na tyto klíčové parametry si můžete vybrat stroj DSC vhodný pro vaši aplikaci a analytické potřeby. Obraťte se na naše odborníky ze společnosti METTLER TOLEDO ještě dnes, abyste se seznámili s našimi řešeními DSC a našli ideální přístroj pro vaše potřeby.

Plyn uvnitř pece DSC hraje v experimentu klíčovou roli. Inertní atmosféra, jako je dusík, argon nebo helium, zabraňuje oxidaci tím, že chrání vzorek před kyslíkem. Tím je zajištěno, že získané výsledky jsou přesné a založené výhradně na chování vzorku. Alternativně může být vyžadována oxidační atmosféra, jako je vzduch nebo kyslík, například v experimentech ke stanovení doby indukce oxidace (OIT).

Dalším efektem je, že tepelná vodivost plynu ovlivňuje rychlost, jakou teplo dosahuje vzorku a senzoru. Například plyny s vysokou vodivostí, jako je helium, mohou poskytovat mírně odlišné výsledky měření ve srovnání s ostatními. Proto je výběr vhodného plynu nezbytný, aby se zabránilo nežádoucím reakcím a zajistily se přesné výsledky.

Kromě plynu z pece jsou vzorky před zahájením experimentu chráněny použitím inertního plynu v komoře kelímku (která uchovává vzorky až do zahájení měření). Tím se nejen zabrání změnám materiálu vzorku, ale také se zajistí, že hmotnost vzorku zůstane stejná až do zahájení analýzy.

V režimu kompenzace výkonu je teplotní rozdíl mezi vzorkem a referencí udržován co nejblíže nule. U METTLER TOLEDO DSC 5+ je toho dosaženo v jedné peci pomocí dvou lokálních ohřívačů umístěných na senzoru, jednoho pod vzorkem a druhého pod referenčním vzorkem. Například během standardního programu ohřevu exotermický efekt, jako je krystalizace, uvolňuje energii a vzorek se zahřívá více než referenční, který se řídí naprogramovanou teplotou. Poté se aktivuje ohřívač na referenční straně a zvýší referenční teplotu, dokud se neshoduje s teplotou vzorku.

Endotermický efekt ve vzorku, jako je tání, absorbuje energii a vzorek se stává chladnějším než referenční. Sample ohřívač se poté aktivuje a zvýší sample teplota dokud neodpovídá referenční teplotě.

Množství energie přiváděné senzorovými ohřívači je velmi přesně měřeno a používá se k vykreslení křivky měření DSC. Výsledkem je signál tepelného toku s vynikajícím rozlišením a vynikající separací blízkých efektů.

Systém termické analýzy METTLER TOLEDO DSC 5+ je vybaven senzorem MMS 1 MultiStar™, který umožňuje zvolit režim kompenzace výkonu nebo tepelného toku v závislosti na vaší aplikaci. Obsahuje 136 termočlánků, které nabízejí výjimečnou citlivost a rozlišení, což umožňuje oddělení těsně ležících tepelných efektů.

Ano! Diferenční skenovací kalorimetry METTLER TOLEDO lze bez problémů integrovat s řadou příslušenství, jako je například vzorkovací robot. Inovativní vzorkovací robot DSC 5+ obsahuje plynovou vzorkovnici, která chrání vzorky před okolním prostředím a pracuje automaticky bez ručního zásahu.

Vzorkovací robot může zpracovat až 96 vzorků a 7 referenčních kelímků a po dokončení měření kelímky automaticky zlikviduje. Díky jedinečnému systému manipulace s víkem je vzorkovací robot schopen těsně před zahájením měření propíchnout víko hermeticky uzavřených hliníkových kelímků nebo sejmout ochranné víko neuzavřených kelímků. To znamená, že vaše vzorky jsou chráněny a hmotnost vzorku se před zahájením experimentu nezmění.

S diferenčními skenovacími kalorimetry METTLER TOLEDO lze integrovat také mnoho dalších doplňků a příslušenství , včetně sady DSC mikroskopie, sady DSC fotokalorimetrie a různých vysoce citlivých keramických senzorů MultiSTAR® DSC, které maximalizují výkon.

Kromě toho lze naše přístroje DSC integrovat s naším softwarem STARe a vylepšit tak vaši termickou analýzu o bezkonkurenční možnosti vyhodnocení. Modulární design softwaru, intuitivní flexibilita a automatizační funkce zjednodušují váš pracovní postup a zajišťují komplexní shodu s předpisy v regulovaných odvětvích.

Software pro termickou analýzu používaný pro diferenciální skenovací kalorimetrii umožňuje uživatelům snadno nastavovat a spouštět experimenty. To zahrnuje definování rychlostí ohřevu/chlazení, teplotních rozsahů a parametrů sběru dat. Software musí přesně zaznamenávat a zobrazovat nezpracovaná data DSC (tepelný tok vs. teplota). Měl by také poskytovat základní analytické nástroje, jako je integrace píků, korekce základní linie a výpočet běžných termodynamických parametrů.

Kromě toho by uživatelé měli mít možnost generovat jasné a dobře organizované zprávy, které shrnují experimentální data, výsledky analýz a interpretace.

METTLER TOLEDO nabízí software pro termickou analýzu STAR^E, který je nejúplnějším a nejkomplexnějším softwarem pro termickou analýzu na trhu a poskytuje bezkonkurenční flexibilitu a neomezené možnosti vyhodnocení.

Diferenční skenovací kalorimetrie (DSC) má určitá omezení, která je třeba mít na paměti.

Například omezené rozlišení může ztížit rozlišení mezi překrývajícími se tepelnými účinky, jako jsou vícenásobné endotermické nebo exotermické píky. V tomto případě lze použít teplotně modulovanou metodu DSC, nebo dokonce přístroj TMA (termomechanický analyzátor) nebo DMA (dynamický mechanický analyzátor).

Dalším potenciálním omezením je, že DSC vyžaduje relativně malou velikost vzorku (obvykle několik miligramů), která nemusí být reprezentativní pro sypký materiál. Malé vzorky mohou vést k nízkému poměru signálu k šumu, zatímco velké vzorky se nemusí vejít do kelímků.

Výsledky DSC mohou být ovlivněny morfologií vzorku, povrchem nebo distribucí velikosti částic. Vzorek by proto měl být homogenní, protože jakékoli nečistoty nebo odchylky ve vzorku mohou ovlivnit výsledky. Je nutná pečlivá příprava vzorku.

Některé experimenty mohou vyžadovat extrémně vysoké rychlosti ohřevu a chlazení, které nejsou možné pomocí konvenčního DSC. V tomto případě může být rychlá skenovací kalorimetrie vhodná pro materiály, které vykazují velmi rychlé tepelné události nebo reakce, a pro studium reorganizačních procesů, které nejsou možné pomocí konvenčního DSC.

I když je DSC cennou technikou pro termickou analýzu, je důležité vzít v úvahu tato omezení.