Różnicowa kalorymetria skaningowa (DSC)

Zasada leżąca u podstaw różnicowej kalorymetrii skaningowej (DSC) polega na tym, że zmiany entalpii w materiale (ilość energii pochłoniętej lub uwolnionej przez substancję podczas reakcji chemicznej lub zmiany fizycznej) mogą być wykrywane i mierzone. Te zmiany entalpii można wykorzystać do scharakteryzowania materiału.

Jeśli w próbce wystąpi efekt termiczny podczas jej podgrzewania lub chłodzenia, temperatura będzie odbiegać od temperatury odniesienia, która jest zgodna z zaprogramowaną temperaturą. Mierząc różnicę w zmianach entalpii między próbką a wzorcem, DSC dostarcza cennych informacji na temat właściwości fizycznych i chemicznych próbki.

Na przykład, gdy próbka przechodzi przemianę fazową, pochłania lub uwalnia energię. Może to być efekt egzotermiczny, taki jak krystalizacja, w którym próbka uwalnia energię i staje się gorętsza niż odniesienie. Energia ta jest wykrywana przez instrument DSC. Mierząc różnicę między przepływem ciepła próbki a przepływem ciepła wzorca, można określić zmianę entalpii związaną z przemianą fazową próbki.

Wyniki DSC są wykreślane jako krzywa przepływu ciepła w mW w funkcji temperatury lub czasu. DSC można wykorzystać do określenia wielu właściwości termicznych materiałów poprzez analizę kształtu krzywej przepływu ciepła.

Obejrzyj nasz film , aby poznać zalety różnicowych kalorymetrów skaningowych METTLER TOLEDO.

METTLER TOLEDO oferuje dwa tryby pomiaru DSC: strumień ciepła i kompensację mocy.

Strumień ciepła DSC: Podczas programu kontrolowanej temperatury efekt termiczny w próbce spowoduje odchylenie jej temperatury od temperatury odniesienia. Na przykład efekt egzotermiczny, taki jak krystalizacja, uwalnia energię, a próbka staje się gorętsza niż próbka referencyjna. W strumieniu ciepła DSC mierzona jest różnica temperatur między próbką a odniesieniem. Aby utworzyć krzywą pomiarową DSC, przepływ ciepła jest obliczany na podstawie zmierzonej różnej temperatury. Wszystkie nasze przyrządy DSC mogą dokonywać pomiarów w trybie strumienia ciepła.

DSC z kompensacją mocy: W trybie kompensacji mocy mierzona jest energia zużyta do utrzymania różnicy temperatur między próbką a wzorcem jak najbliższej zeru.  W DSC 5+ firmy METTLER TOLEDO osiąga się to za pomocą dwóch miejscowych grzałek na czujniku, jednego pod tyglem na próbkę, a drugiego poniżej tygla referencyjnego. Podczas efektu egzotermicznego, takiego jak krystalizacja, próbka staje się gorętsza niż próbka referencyjna. Grzałka po stronie referencyjnej aktywuje się, zwiększając temperaturę odniesienia, aż dopasuje się do temperatury próbki.

Efekt endotermiczny w próbce, taki jak topnienie, pochłania energię, a próbka staje się chłodniejsza niż próbka referencyjna. Następnie włączy się podgrzewacz próbek, zwiększając temperaturę próbki, aż osiągnie temperaturę odniesienia.

Ilość mocy wprowadzanej przez grzałki czujnikowe jest bardzo precyzyjnie mierzona. Skutkuje to sygnałem przepływu ciepła o wyjątkowej rozdzielczości i doskonałej separacji efektów blisko leżących.

Szybki kalorymetr skanujący METTLER TOLEDO, Flash DSC , również wykorzystuje kompensację mocy.

Oprócz DSC z kompensacją strumienia ciepła i mocy, istnieje wiele rodzajów różnicowej kalorymetrii skaningowej, z których każdy ma swoje zalety i ograniczenia. Wybór techniki DSC zależy od konkretnej badanej próbki i zastosowania.

METTLER TOLEDO jest wiodącym dostawcą różnicowych kalorymetrów skaningowych (DSC). Oferujemy zróżnicowaną gamę instrumentów DSC, z których każdy został zaprojektowany z unikalnymi funkcjami i możliwościami, aby zaspokoić różne zastosowania. Zapoznaj się z naszymi broszurami produktowymi , aby znaleźć idealne rozwiązanie DSC, które odpowiada Twoim potrzebom.

Wysokociśnieniowa różnicowa kalorymetria skaningowa (HPDSC) umożliwia badanie zachowania termicznego materiałów w środowisku o wysokim ciśnieniu poprzez wprowadzenie gazu pod ciśnieniem w celu wytworzenia wymaganych warunków. Do zalet HPDSC należy krótszy czas analizy dzięki przyspieszonym reakcjom oraz symulacja warunków procesu pod ciśnieniem.

Szybka kalorymetria skaningowa DSC (Flash DSC)

Szybka kalorymetria skaningowa lub błyskawiczna różnicowa kalorymetria skaningowa (Flash DSC) służy do badania zachowania termicznego materiałów przy bardzo wysokich szybkościach ogrzewania i chłodzenia. W Flash DSC próbka jest poddawana działaniu szybkości nagrzewania do 3 000 000 K/min i szybkości chłodzenia do 2 400 000 K/min, co pozwala na badanie materiałów, które wykazują niezwykle szybkie reakcje termiczne oraz analizę procesów reorganizacji, które nie są możliwe przy użyciu konwencjonalnego DSC.

Mikroskopia DSC umożliwia wizualne badanie próbki, gdy jest ona podgrzewana lub chłodzona. Ta technika jest przydatna, gdy krzywe DSC wykazują efekty, których nie można od razu zrozumieć lub które generują niewielką entalpię lub nie generują jej wcale. Umożliwia to na przykład identyfikację przejść ciało stałe-ciało stałe, efektów nakładania się i obserwowanego skurczu próbki.

Fotokolorymetria DSC (UV-DSC)  umożliwia badanie reakcji utwardzania wywołanego światłem, a także wpływu czasu ekspozycji i natężenia światła UV na właściwości materiału.

Różnicowa kalorymetria skaningowa (DSC) polega na pomiarze ilości energii pochłoniętej lub uwolnionej przez próbkę (przepływ ciepła), gdy jest ona poddawana kontrolowanemu cyklowi ogrzewania lub chłodzenia lub utrzymywana izotermicznie w tej samej temperaturze. Wraz ze zmianą temperatury lub z czasem utrzymywanym w określonej temperaturze, próbka ulega przemianom termicznym, takim jak topnienie, krystalizacja, zeszklenie, przemiany fazowe lub reakcje chemiczne, podczas których energia cieplna jest pochłaniana lub uwalniana.

Za pomocą specjalnego typu czujnika różnicowa kalorymetria skaningowa wykrywa energię pochłoniętą lub uwolnioną przez próbkę podczas tych przejść lub zdarzeń. Różnica w przepływie ciepła między próbką a tyglem referencyjnym jest wykreślana w mW w funkcji temperatury lub czasu w celu utworzenia krzywej pomiarowej DSC. Zmiany entalpii związane ze zdarzeniami termicznymi pojawiają się na krzywej jako piki endotermiczne lub egzotermiczne.

Ocena i interpretacja kształtu krzywej przepływu ciepła pozwala nam określić charakterystykę termiczną i zachowanie materiału. Oprogramowanie do analizy termicznej służy do sterowania przyrządem oraz przedstawiania i oceny kształtu krzywej pomiarowej.

Różnicowa kalorymetria skaningowa (DSC) jest szeroko stosowana do badania właściwości termicznych różnych materiałów, takich jak polimery, kompozyty, chemikalia, petrochemia, metale, ceramika, farmaceutyki, oleje i żywność. Ta technika analizy termicznej dostarcza cennych informacji na temat właściwości termicznych i zachowania próbki i jest powszechnie stosowana do badań nad nowymi materiałami, analizy uszkodzeń, badań bezpieczeństwa i kontroli jakości.

Typowe zastosowania różnicowej kalorymetrii skaningowej obejmują:

• Stabilność termiczna (czas indukcji utleniania, temperatura rozkładu)
• Utwardzanie i reakcje chemiczne
• Kinetyka (utwardzanie, okres trwałości, stabilność)
• Polimorfizm
• Oznaczanie czystości i zanieczyszczeń
• Ciepło właściwe
• Identyfikacja (na podstawie charakterystycznej temperatury początkowej topnienia lub temperatury zeszklenia)

DSC jest powszechnie stosowany w następujących branżach:

• Farmaceutyki: Charakteryzowanie związków leków, analizowanie czystości i opracowywanie stabilnych formulacji leków.
• Nauka o polimerach: Badanie przemian termicznych, takich jak zeszklenie, krystalizacja i topnienie, pomaga zoptymalizować przetwarzanie i zrozumieć właściwości materiałów.
• Nauka o żywności: Badanie zachowania tłuszczów, skrobi i innych składników żywności podczas przetwarzania i przechowywania w celu określenia jakości produktu i okresu przydatności do spożycia.
• Materiałoznawstwo: Analiza przemian fazowych w różnych materiałach, od metali i ceramiki po kompozyty i nanomateriały, pomaga w ich rozwoju i zastosowaniu.

Zapoznaj się z obszerną kolekcją aplikacji METTLER TOLEDO do analizy termicznej, obejmujących szeroki zakres technik i tematów analitycznych.

Aby użyć przyrządu do różnicowego kalorymetru skaningowego (DSC), należy najpierw przygotować małą, precyzyjnie zmierzoną próbkę i umieścić ją w tyglu lub szalce na próbki . W razie potrzeby na tyglu można umieścić pokrywkę, w zależności od zastosowania. Przygotowuje się tygiel referencyjny tego samego typu, który zazwyczaj pozostaje pusty. Przygotowanie próbki jest kluczowe i musi być wykonane prawidłowo, co wyjaśniono w tym filmie Jak przygotować próbki DSC .

Ustawiany jest program temperaturowy z temperaturą początkową i końcową oraz odpowiednimi szybkościami ogrzewania i chłodzenia. Odpowiedni gaz paleniskowy należy dobrać w zależności od tego, czy wymagana jest atmosfera obojętna, czy utleniająca. Gdy piec DSC osiągnie temperaturę początkową, tygle do pobierania próbek i tygle odniesienia są umieszczane w piecu. Można to zrobić ręcznie lub automatycznie za pomocą robota do pobierania próbek. W trakcie trwania programu temperaturowego przyrząd DSC wykrywa różnicę w przepływie ciepła między próbką a tyglami odniesienia. Wyniki są wykreślane na krzywej pomiarowej, która reprezentuje zmiany entalpii próbki w odniesieniu do temperatury lub czasu.

Aby uzyskać bardziej szczegółowe informacje na temat korzystania z urządzeń DSC METTLER TOLEDO, pobierz instrukcję.

DSC (różnicowa kalorymetria skaningowa) i DTA (różnicowa analiza termiczna) to dwie techniki analizy termicznej stosowane do badania zachowania termicznego materiałów. Chociaż obie techniki obejmują pomiar zmian temperatury w materiale, różnią się sposobem pomiaru tych zmian i rodzajem dostarczanych informacji.

Różnicowa kalorymetria skaningowa mierzy ilość ciepła przepływającego do lub z próbki, gdy jest ona poddawana programowi kontrolowanej temperatury, dostarczając informacji na temat procesów egzotermicznych i endotermicznych, które zachodzą w próbce w funkcji temperatury lub czasu. Różnicowa analiza termiczna dostarcza informacji tylko o różnicy temperatur między próbką a próbką referencyjną.

DSC ogólnie lepiej nadaje się do badania przemian fazowych i właściwości termicznych materiałów, takich jak temperatury topnienia, zeszklenia i zmiany entalpii. Dostarcza więcej informacji na temat zachowania termicznego materiału i jest często używany do charakteryzowania polimerów, farmaceutyków i innych materiałów organicznych.

DTA może być używany do badania stabilności termicznej i utleniania, takich jak temperatury topnienia i stabilność termiczna materiałów nieorganicznych.

Różnicowe kalorymetry skaningowe (DSC) METTLER TOLEDO nie są przeznaczone bezpośrednio do różnicowej analizy termicznej (DTA). Ponieważ DSC dostarcza więcej informacji na temat przemian fazowych, właściwości termicznych i zachowania materiałów, technika DSC jest ogólnie zalecana.

Wybierając maszynę DSC, należy wziąć pod uwagę kilka kluczowych parametrów, w tym:

• Zakres temperatur: Zakres temperatur maszyny DSC powinien być odpowiedni dla danego zastosowania. Na przykład, jeśli analizujesz materiały, które mają być używane w środowiskach o wysokiej temperaturze, będziesz potrzebować przyrządu DSC, który może podgrzać próbkę do temperatury użytkowania.
• Szybkość ogrzewania i chłodzenia: Powinny być odpowiednie dla próbki i zastosowania. Niektóre maszyny DSC oferują szybsze tempo nagrzewania i chłodzenia niż inne, co może być korzystne w niektórych zastosowaniach.
• Rozdzielczość: Przyrząd o wysokiej rozdzielczości umożliwia wyraźniejsze oddzielenie nakładających się na siebie zdarzeń termicznych. Może się to zdarzyć, gdy wiele przejść lub reakcji zachodzi w wąskim zakresie temperatur, co utrudnia rozróżnienie poszczególnych zdarzeń. Polimery mogą często wykazywać nakładające się przemiany termiczne, takie jak przemiany szkliste, temperatury topnienia i krystalizacja.
• Czułość: Czułość przyrządu określa, jak słabe zdarzenie termiczne może wykryć. Jeśli analizujesz próbki o słabych efektach termicznych, będziesz potrzebować przyrządu DSC o wysokiej czułości.
• Przykładowa pojemność: Przykładowa wydajność robota maszyny DSC powinna być odpowiednia dla Twoich przepływów pracy. Na przykład robot do pobierania próbek dla DSC 5+ obsługuje do 96 próbek i 7 tygli referencyjnych.
• Kontrola atmosfery: Niektóre maszyny DSC mogą oferować możliwość kontrolowania atmosfery pieca podczas analizy, co może być przydatne do analizy materiałów w określonych warunkach, takich jak kontrolowana wilgotność lub obecność określonego gazu, a nawet próżni.
• Oprogramowanie i analiza danych: Oprogramowanie i możliwości analizy danych urządzenia DSC powinny zapewniać niezbędne narzędzia do analizy danych. Oprogramowanie STAR^e™ firmy METTLER TOLEDO zapewnia niemal nieograniczone możliwości oceny, oferując modułowość, elastyczność i automatyzację pomiarów. To oprogramowanie pomaga również branżom regulowanym zachować zgodność. Wszystkie nasze systemy analizy termicznej są sterowane za pomocą jednej wydajnej platformy oprogramowania.
• Budżet: Cena maszyny DSC jest ważną kwestią, ponieważ powinna mieścić się w budżecie, a jednocześnie zapewniać niezbędne funkcje i możliwości dla aplikacji.

Biorąc pod uwagę te kluczowe parametry, możesz wybrać maszynę DSC odpowiednią do Twojego zastosowania i potrzeb analitycznych. Skontaktuj się z naszymi ekspertami METTLER TOLEDO już dziś, aby zapoznać się z naszymi rozwiązaniami DSC i znaleźć idealne urządzenie dla swoich potrzeb.

Gaz wewnątrz pieca DSC odgrywa kluczową rolę w eksperymencie. Obojętna atmosfera, taka jak azot, argon lub hel, zapobiega utlenianiu, osłaniając próbkę przed tlenem. Gwarantuje to, że uzyskane wyniki są dokładne i oparte wyłącznie na zachowaniu próbki. Alternatywnie może być wymagana atmosfera utleniająca, taka jak powietrze lub tlen, na przykład w eksperymentach w celu określenia czasu indukcji utleniania (OIT).

Innym efektem jest to, że przewodność cieplna gazu wpływa na prędkość, z jaką ciepło dociera do próbki i czujnika. Na przykład gazy o wysokiej przewodności, takie jak hel, mogą zapewniać nieco inne wyniki pomiarów w porównaniu z innymi. Dlatego wybór odpowiedniego gazu jest niezbędny, aby zapobiec niepożądanym reakcjom i zapewnić dokładne wyniki.

Oprócz gazu paleniskowego, dzięki zastosowaniu gazu obojętnego w komorze tygla (która utrzymuje próbki do momentu rozpoczęcia pomiaru), próbki są chronione przed rozpoczęciem eksperymentu. Zapobiega to nie tylko zmianom w materiale próbki, ale także zapewnia, że masa próbki pozostaje taka sama do momentu rozpoczęcia analizy.

W trybie kompensacji mocy różnica temperatur między próbką a wzorcem jest utrzymywana jak najbliżej zera. W modelu DSC 5+ firmy METTLER TOLEDO osiąga się to w jednym piecu za pomocą dwóch miejscowych grzałek umieszczonych na czujniku, jednego pod próbką, a drugiego poniżej wzorca. Na przykład podczas standardowego programu ogrzewania efekt egzotermiczny, taki jak krystalizacja, uwalnia energię, a próbka staje się gorętsza niż temperatura odniesienia, która podąża za zaprogramowaną temperaturą. Grzałka po stronie referencyjnej aktywuje się, zwiększając temperaturę odniesienia, aż dopasuje się do temperatury próbki.

Efekt endotermiczny w próbce, taki jak topnienie, pochłania energię, a próbka staje się chłodniejsza niż próbka referencyjna. Podgrzewacz próbki aktywuje się, zwiększając temperaturę próbki, aż zrówna się z temperaturą odniesienia.

Ilość mocy wprowadzanej przez grzałki czujników jest bardzo precyzyjnie mierzona i wykorzystywana do wykreślenia krzywej pomiarowej DSC. Skutkuje to sygnałem przepływu ciepła o wyjątkowej rozdzielczości i doskonałej separacji efektów blisko leżących.

System analizy termicznej DSC 5+ METTLER TOLEDO jest wyposażony w czujnik MMS 1 MultiStar™, który umożliwia wybór trybu kompensacji mocy lub strumienia ciepła w zależności od zastosowania. Zawiera 136 termopar, które zapewniają wyjątkową czułość i rozdzielczość, umożliwiając separację blisko położonych efektów termicznych.

Tak! Różnicowe kalorymetry skaningowe METTLER TOLEDO można bezproblemowo zintegrować z wieloma akcesoriami, takimi jak robot do pobierania próbek. Innowacyjny robot do pobierania próbek DSC 5+ jest wyposażony w komorę na próbki z przedmuchiwanym gazem, która chroni próbki przed otoczeniem i działa automatycznie bez ręcznej interwencji.

Robot do pobierania próbek może obsłużyć do 96 próbek i 7 tygli referencyjnych i automatycznie usunie tygle po zakończeniu pomiaru. Dzięki unikalnemu systemowi obsługi pokrywek robot do pobierania próbek jest w stanie przebić pokrywę hermetycznie zamkniętych tygli aluminiowych lub zdjąć pokrywę ochronną nieszczelnych tygli tuż przed rozpoczęciem pomiaru. Oznacza to, że próbki są chronione, a masa próbki nie zmienia się przed rozpoczęciem eksperymentu.

Z różnicowymi kalorymetrami skaningowymi METTLER TOLEDO można również zintegrować wiele innych opcji i akcesoriów , w tym zestaw do mikroskopii DSC, zestaw do fotokalorymetrii DSC oraz różne czujniki ceramiczne MultiSTAR® DSC o wysokiej czułości, aby zmaksymalizować wydajność.

Ponadto nasze przyrządy DSC można zintegrować z naszym oprogramowaniem STARe , aby wzbogacić analizę termiczną o niezrównane możliwości oceny. Modułowa konstrukcja oprogramowania, intuicyjna elastyczność i funkcje automatyzacji upraszczają przepływ pracy, zapewniając kompleksową zgodność z przepisami w branżach regulowanych.

Oprogramowanie do analizy termicznej używane do różnicowej kalorymetrii skaningowej umożliwia użytkownikom łatwe konfigurowanie i przeprowadzanie eksperymentów. Obejmuje to definiowanie szybkości ogrzewania/chłodzenia, zakresów temperatur i parametrów pozyskiwania danych. Oprogramowanie musi dokładnie rejestrować i wyświetlać surowe dane DSC (przepływ ciepła w funkcji temperatury). Powinien również zapewniać podstawowe narzędzia analityczne, takie jak całkowanie pików, korekta linii bazowej i obliczanie wspólnych parametrów termodynamicznych.

Ponadto użytkownicy powinni mieć możliwość generowania przejrzystych i dobrze zorganizowanych raportów, które podsumowują dane eksperymentalne, wyniki analiz i interpretacje.

METTLER TOLEDO oferuje oprogramowanie do analizy termicznej STAR^e, które jest najbardziej kompletnym i wszechstronnym oprogramowaniem do analizy termicznej na rynku, zapewniającym niezrównaną elastyczność i nieograniczone możliwości oceny.

Różnicowa kalorymetria skaningowa (DSC) ma pewne ograniczenia, o których należy pamiętać.

Na przykład ograniczona rozdzielczość może utrudniać rozróżnienie nakładających się efektów termicznych, takich jak wiele pików endotermicznych lub egzotermicznych. W takim przypadku można zastosować metodę DSC z modulacją temperatury, a nawet przyrząd TMA (analizator termomechaniczny) lub DMA (dynamiczny analizator mechaniczny).

Innym potencjalnym ograniczeniem jest to, że DSC wymaga stosunkowo małej wielkości próbki (zwykle kilku miligramów), która może nie być reprezentatywna dla materiału sypkiego. Małe próbki mogą prowadzić do niskiego stosunku sygnału do szumu, podczas gdy duże próbki mogą nie zmieścić się w tyglach.

Na wyniki DSC może mieć wpływ morfologia próbki, pole powierzchni lub rozkład wielkości cząstek. W związku z tym próbka powinna być jednorodna, ponieważ wszelkie zanieczyszczenia lub zmiany w próbce mogą mieć wpływ na wyniki. Konieczne jest staranne przygotowanie próbki .

Niektóre eksperymenty mogą wymagać bardzo wysokich szybkości ogrzewania i chłodzenia, które nie są możliwe przy użyciu konwencjonalnego DSC. W takim przypadku szybka kalorymetria skaningowa może być odpowiednia dla materiałów, które wykazują bardzo szybkie zdarzenia termiczne lub reakcje oraz do badania procesów reorganizacji, które nie są możliwe przy użyciu konwencjonalnego DSC.

Chociaż DSC jest cenną techniką analizy termicznej, ważne jest, aby wziąć pod uwagę te ograniczenia.