Phân tích nhiệt Quét Vi sai (DSC) – Kiến thức cơ bản và các Ứng dụng

Kính chào toàn thể quý vị

Chào mừng đến với hội thảo về phân tích nhiệt quét vi sai – hay thường được gọi là DSC.

DSC là kỹ thuật được sử dụng nhiều nhất trong phân tích nhiệt. Nó được sử dụng để nghiên cứu biểu hiện của vật liệu như một hàm số của nhiệt độ hoặc thời gian. Điểm nóng chảy, sự kết tinh và các phản ứng hóa học chỉ là một vài trong số nhiều tính chất và quy trình có thể được đo lường bởi DSC.

Trong hội thảo trực tuyến này, tôi muốn trình bày các nguyên tắc cơ bản của phân tích nhiệt quét vi sai và giới thiệu một thiết bị DSC hiệu suất cao.

Tôi cũng muốn chỉ ra một số tính năng thiết kế quan trọng và trình bày các chức năng của chúng.

Cuối cùng, tôi sẽ đưa ra một số ví dụ để minh họa cho các khả năng ứng dụng khác nhau của DSC.

Phân tích nhiệt quét vi sai dùng để đo dòng nhiệt được tạo ra trong một mẫu khi nó được nung nóng, làm mát, hoặc giữ đẳng nhiệt ở nhiệt độ không đổi. Một mẫu có thể trải qua một hoặc nhiều thay đổi pha trong khi nung nóng hoặc làm mát. Một ví dụ phù hợp về sự thay đổi pha là sự tan chảy của băng.

Hình ảnh ở bên trái là Hồ Sihl trong mùa đông tại Thụy Sĩ. Bề mặt của hồ thường đóng băng do nhiệt độ âm. Nước khi đó tồn tại ở pha rắn dưới dạng băng. Vào mùa xuân, khi nhiệt độ tăng lên, băng sẽ tan ra và thay đổi từ pha rắn sang lỏng. Sự chuyển pha diễn ra do sự trao đổi năng lượng với môi trường.
Sự tan chảy của băng thành nước có thể được đo lường dễ dàng bằng phương pháp phân tích nhiệt quét vi sai. Đường cong phép đo DSC thể hiện một đỉnh có khu vực tương ứng với enthalpy trong quá trình đó.

Đường cong DSC dưới dạng biểu đồ ở bên phải slide thể hiện những ảnh hưởng nhiệt điển hình xảy ra khi nhựa vô định hình như polyethylene terephthalate được nung nóng. Các ảnh hưởng này bao gồm sự chuyển tiếp thủy tinh (số ba), các đỉnh do sự kết tinh lạnh và nóng chảy (bốn và năm), và cuối cùng là phân hủy (sáu).

Trong một thí nghiệm DSC, dòng nhiệt từ lò đến mẫu được đo song song với dòng nhiệt đến vật liệu tham chiếu. Chén mẫu và chén tham chiếu hoàn toàn giống nhau trừ việc chén tham chiếu thường trống rỗng.

Biểu đồ ở phần trên của slide minh họa dòng nhiệt DSC. Trong thiết kế cụ thể này, chén mẫu và chén tham chiếu được nung nóng từ bên dưới; dòng nhiệt được thể hiện bởi các chấm đỏ trên biểu đồ. Mẫu được đặt trong chén, hoặc đĩa, được đặt ngay phía trên cảm biến. Cả chén mẫu và chén tham chiếu đều được bao quanh bởi một khoang hoặc lò được nung nóng.

Cảm biến là trái tim của DSC và phát hiện dòng nhiệt. Góc dưới bên trái của slide thể hiện hình ảnh phóng to của cảm biến METTLER TOLEDO với các cặp nhiệt điện được xếp hình ngôi sao. Hình ngôi sao được tạo thành bởi nhiều cặp nhiệt điện được kết hợp trong cảm biến. Các cặp nhiệt điện đảm bảo rằng dòng nhiệt được đo chính xác.

Đường cong đo ở góc dưới bên phải của slide thể hiện đỉnh nóng chảy điển hình. Đường cong cung cấp thông tin giá trị như enthalpy của sự nóng chảy, điểm nóng chảy và nhiệt dung riêng.

Slide này thể hiện sơ đồ lò trong thiết bị DSC 1. Các phần được nung nóng có màu đỏ, các phần nguội có màu xanh dương và cảm biến DSC có màu xanh lá. Cảm biến nhiệt độ bên trong lò bạc điều tiết nhiệt độ qua bộ phận nung nóng, có màu đen, ngay bên dưới lò bạc.

Tùy chọn làm mát thường cần thiết để thực hiện các thí nghiệm thấp hơn nhiệt độ phòng. Làm mát được thực hiện bằng cách thổi một dòng khí quanh lò, hoặc sử dụng máy điều lạnh hoặc bộ làm mát trung gian. Khi bộ làm mát trung gian được sử dụng, một mặt bích làm mát sẽ được đặt quanh lò để làm mát trực tiếp và hiệu quả. Đối với máy điều lạnh, mặt bích làm mát được cung cấp sẽ giữ ngón tay làm mát của máy điều lạnh.

Tùy vào phạm vi nhiệt độ của phép đo, một hoặc cả hai đầu vào khí được thể hiện trong biểu đồ sẽ được sử dụng. Đầu vào tiêu chuẩn là “đầu vào khí xả ”. Nếu tùy chọn làm mát được sử dụng, “đầu vào khí khô” cũng được sử dụng để tránh sự ngưng tụ xảy ra trong thiết bị. Các mẫu vẫn có thể được dễ dàng đưa vào lò khi đầu vào khí khô được sử dụng.

Các cảm biến trong DSC 1 của METTLER TOLEDO là các thành phần quan trọng nhất của thiết bị. Chúng quyết định chất lượng của phép đo. Hai cảm biến khác nhau có sẵn cho DSC 1. Cảm biến được sử dụng thường xuyên nhất là cảm biến FRS5. Cảm biến độ nhạy cao hoặc cảm biến HSS8 được khuyến nghị cho các mẫu chỉ tạo ra cường độ tín hiệu rất thấp.

Phần dưới cùng của slide thể hiện kết quả kiểm tra so sánh độ nhạy và độ phân giải của hai cảm biến. Độ nhạy tốt hơn đồng nghĩa với việc có thẻ phát hiện các ảnh hưởng nhiệt nhỏ hơn trong mẫu hoặc sử dụng lượng mẫu nhỏ hơn.
Các phép đo được thực hiện theo hướng dẫn kiểm tra TAWN, một quy trình được công nhận rộng rãi để kiểm tra hiệu suất của các thiết bị DSC.

Ở góc dưới bên trái, độ nhạy được đo theo sự chuyển pha của tinh thể lỏng, 4,4′-azoxyanisole. Trong phép kiểm tra này, 0,25-milligram mẫu 4,4′-azoxyanisole được nung nóng ở tốc độ rất thấp, 0,1 độ mỗi phút. Biểu đồ cho thấy rằng cả hai cảm biến đều thể hiện độ nhạy tuyệt vời. Đường cong đo của cảm biến độ nhạy cao HSS8 thể hiện rằng nó có tỷ lệ tín hiệu trên nhiễu tốt hơn so với cảm biến FRS5.

Biểu đồ ở góc dưới bên phải thể hiện phép kiểm tra độ nhạy TAWN cho cả hai cảm biến. Ở đây, độ phân giải nghĩa là khả năng tách các ảnh hưởng nằm gần nhau. Trong trường hợp này, đỉnh nóng chảy lớn ở khoảng 118 độ được tách ra rõ ràng khỏi sự chuyển tiếp tinh thể lỏng nhỏ ở khoảng 135 độ. Thí nghiệm được thực hiện ở tốc độ nung nóng 20 độ mỗi phút, sử dụng 5 miligram mẫu. Kết quả cho thấy rằng cả hai cảm biến đều thể hiện độ phân giải rất tốt. Đường cong đo cũng cho thấy rằng phản ứng của cảm biến FRS5 nhanh hơn so với cảm biến độ nhạy cao HSS8.

Một thuộc tính hiệu suất quan trọng trong thí nghiệm DSC là đường cơ sở. Đường cơ sở cần phải không có hiệu ứng giả hoặc độ lệch vì những ảnh hưởng như vậy có thể che lấp các ảnh hưởng mẫu thật. Biểu đồ ở giữa slide thể hiện hiệu suất đường cơ sở rất tốt cho cả hai cảm biến DSC 1. Điều này khẳng định rằng phép đo thể hiện hiệu ứng mẫu thực sự và không phải hiệu ứng giả.

Đối với phép đo dòng nhiệt định lượng, chén đựng mẫu phải có khả năng dẫn nhiệt rất tốt và tiếp xúc tối ưu với cảm biến. Do đó, hình dạng của chén đựng mẫu và vật liệu được sử dụng là rất quan trọng bất kể loại mẫu được đo là gì.
METTLER TOLEDO cung cấp các loại chén đựng mẫu khác nhau để phù hợp với các loại mẫu khác nhau. Một số chén đựng mẫu phổ biến được thể hiện trên slide.

Trên cùng bên trái là chén đựng mẫu DSC tiêu chuẩn. Những chén đựng mẫu này nhẹ, chắc chắn và dễ xử lý. Chúng được làm từ nhôm tinh khiết để đảm bảo độ dẫn nhiệt tốt. Các chén đựng mẫu có thể được hàn kín, để mở hoàn toàn hoặc được đậy bằng nắp có lỗ. Đường kính của lỗ trên nắp sẽ xác định mức độ trao đổi khí với môi trường xung quanh và do đó có thể ảnh hưởng đến quá trình phản ứng hoặc bay hơi.

Tùy thuộc vào yêu cầu mẫu và phép đo, các chén đựng mẫu khác cũng có thể cần thiết. Ví dụ, chén đựng mẫu bằng vàng có sẵn cho các mẫu phản ứng với nhôm.

Một ứng dụng phổ biến là để đo mẫu trong không khí được đóng kín và ở áp suất cao hơn môi trường. Những phép đo này có thể được thực hiện với chén đựng mẫu áp suất cao được thể hiện ở góc dưới bên trái.
Slide này chỉ thể hiện một số chén đựng mẫu hiện có sẵn. Trên thực tế, có hơn 25 loại chén đựng mẫu khác nhau để đáp ứng yêu cầu của mẫu và ứng dụng.

Thiết bị DSC 1 có thể được gắn với phụ kiện tùy chọn cho các ứng dụng cụ thể.

Slide thể hiện các mô-đun DSC khác nhau được cung cấp bởi METTLER-TOLEDO, từ trái qua phải, DSC-Hiển vi, DSC-Phân tích nhiệt quang, DSC Áp suất cao, và DSC-Phát quang hóa học.

DSC-Hiển vi được sử dụng để quan sát trực quan hiệu ứng mẫu trong chén đựng mẫu và hỗ trợ việc diễn giải đường cong DSC. Thông tin trực quan cho phép bạn xác định sự chuyển tiếp rắn-rắn, phân biệt các quá trình chồng lấn nhau như nóng chảy và phân hủy, nghiên cứu sự co lại của sợi hoặc màng phim, hoặc xác định nguyên nhân của hiệu ứng giả trong đường cong DSC.

DSC-Phân tích nhiệt quang cho phép bạn đo các thay đổi enthalpy trong vật liệu trong và sau khi tiếp xúc với ánh sáng. Bạn có thể nghiên cứu ảnh hưởng của ánh sáng đến biểu hiện của vật liệu nhạy cảm với ánh sáng. Các ứng dụng điển hình bao gồm nghiên cứu quy trình khâu mạch được kích hoạt bởi ánh sáng, ảnh hưởng của chất ổn định UV và ảnh hưởng của cường độ ánh sáng đến độ bền polyme.

DSC Áp suất cao được sử dụng để nghiên cứu ảnh hưởng của áp suất đến sự thay đổi về vật lý và hóa học. Các phép đo ở áp suất khí cao có những ưu điểm như thời gian phân tích ngắn hơn vì áp suất cao đẩy nhanh phản ứng, ví dụ như oxy hóa. Kỹ thuật này cho phép các phép đo được thực hiện dưới điều kiện quy trình thực sự. Những ảnh hưởng chồng lấn có thể được tách ra vì sự bay hơi được ngăn chặn. Sự oxy hóa có thể được thúc đẩy hoặc ngăn chặn bằng cách thực hiện phép đo dưới các chất khí đặc biệt. Các phép đo liên quan đến khí độc hoặc dễ cháy cũng có thể thực hiện.

DSC-Phát quang hóa học cho phép bạn phát hiện ánh sáng được phát ra bởi phản ứng hóa học, ví dụ, sự phát quang hóa học bắt nguồn từ quá trình xuống cấp do oxy hóa trong polyme. Điều này cho phép bạn nghiên cứu ảnh hưởng của các chất ổn định trong polyme.
Trong ngành công nghiệp thực phẩm và dược phẩm, sự phát quang hóa học được sử dụng để lấy thông tin về độ bền của các sản phẩm khác nhau như dầu hoặc chất béo.

Phép đo DSC có thể được thực hiện với đường dốc nhiệt độ tuyến tính, đẳng nhiệt, hoặc với mô-đun nhiệt độ.
Việc quét nhiệt độ được thực hiện để nghiên cứu các quá trình phụ thuộc vào nhiệt độ như sự chuyển tiếp thủy tinh, kết tinh, nóng chảy và phản ứng khâu mạch.
Các thí nghiệm đẳng nhiệt chủ yếu được sử dụng để xác định thời gian phản ứng oxy hóa của vật liệu hoặc nghiên cứu các phản ứng hóa học.

Các thí nghiệm được điều biến nhiệt độ cho phép bạn tách các ảnh hưởng trái ngược hoặc không trái ngược, ví dụ như sự chuyển tiếp thủy tinh từ các phản ứng hoặc sự bay hơi diễn ra đồng thời.
Các khí đặc biệt như oxy hoặc nitơ tinh khiết thường được sử dụng trong các ứng dụng cụ thể để đẩy nhanh hoặc ngăn chặn sự phân hủy của mẫu.

Hầu hết các phép đo DSC được thực hiện với đường dốc nhiệt độ tuyến tính. Ở đây, mẫu được nung nóng hoặc làm mát ở tốc độ không đổi và các tình trạng khác nhau của mẫu được đo như một hàm số của nhiệt độ. Đường cong DSC trong slide thể hiện sự quét nhiệt độ điển hình cho mẫu polyethylene terephthalate vô định hình hay PET.

Đường cong màu đỏ thể hiện lần nung nóng đầu tiên. Nó minh họa những ảnh hưởng điển hình được quan sát khi nung nóng. Sự kiện đầu tiên là sự chuyển tiếp thủy tinh, được xem là một bước trong đường cong. Sau đó là đỉnh kết tinh lạnh tỏa nhiệt và đỉnh nóng chảy thu nhiệt. Nếu mẫu PET được nung nóng đến nhiệt độ cao hơn, nó sẽ bắt đầu phân hủy.
Nhiệt độ mà tại đó những ảnh hưởng này diễn ra là đặc trưng cho mỗi vật liệu cụ thể. Do đó, đường cong DSC có thể được sử dụng như “dấu vân tay” trong kiểm soát chất lượng. Đường cong nung nóng đầu tiên của mẫu ban đầu cũng chứa thông tin về lịch sử xử lý của mẫu.

Nói chung, một việc thường rất hữu ích là đo đường cong làm mát của mẫu và sau đó ghi chép lần nung nóng thứ hai. Những phép đo bổ sung này cung cấp thêm thông tin về biểu hiện của vật liệu

Đường cong màu xanh dương thể hiện lần nung nóng thứ hai. Sự chuyển tiếp thủy tinh bây giờ không còn được đi kèm với đỉnh thu nhiệt do sự nới lỏng enthalpy. Ảnh hưởng này rất dễ thấy trong lần nung nóng đầu tiên và liên quan đến sự lão hóa vật lý của vật liệu. Ngoài ra cũng không còn đỉnh kết tinh lạnh tỏa nhiệt. Điều này cho biết rằng tốc độ làm mát của mẫu là đủ thấp và có đủ thời gian cho vật liệu kết tinh. Đỉnh kết tinh có thể được thấy trong lần làm mát được thể hiện màu đen trong biểu đồ. Trái lại, mẫu ban đầu gần như vô định hình vì quá trình làm mát trong khi sản xuất là quá nhanh để sự kết tinh xảy ra.
Ví dụ thể hiện rằng một lượng lớn thông tin có thể được lấy từ chỉ một mẫu thông qua chu kỳ đơn giản nung nóng-làm mát-nung nóng.

Trong một thí nghiệm tỏa nhiệt, những thay đổi về mẫu được đo trong một khoảng thời gian nhất định trong đó nhiệt độ được giữ không đổi. Chế độ đo này được sử dụng để lấy thông tin về thời gian trải qua trước khi ảnh hưởng xảy ra hoặc về thời lượng của ảnh hưởng. Ví dụ, khi xác định Thời gian Phản ứng Oxy hóa, thông số quan tâm là thời gian trải qua trước khi mẫu bắt đầu oxy hóa tại một nhiệt độ cụ thể. Mặt khác, các nghiên cứu phản ứng hóa học cung cấp thông tin về tốc độ và thời lượng của phản ứng khâu mạch.

Ví dụ trong slide thể hiện phản ứng khâu mạch của sự sơn tĩnh điện. Lớp sơn tĩnh điện thường được phun lên chất nền và sau đó được khâu mạch ở nhiệt độ khoảng 180 độ C hoặc bằng tia UV ở nhiệt độ thấp hơn. Khâu mạch với tia UV có ưu điểm là chất nền nhạy cảm với nhiệt độ có thể được sử dụng và gần như không có hợp chất hữu cơ dễ bay hơi nào được tạo ra. Trên thực tế, câu hỏi chính là vật liệu cần tiếp xúc với tia UV trong bao lâu để đạt mức khâu mạch hay liên kết chéo phù hợp. Điều này được minh họa trong slide, trong đó thể hiện một số thí nghiệm được thực hiện để đo mức độ khâu mạch sau khi tiếp xúc với ánh sáng trong khoảng thời gian khác nhau ở 110 độ. Thời gian tiếp xúc tối ưu có thể được xác định bằng cách quan sát khi đỉnh phản ứng tỏa nhiệt hoàn thành.

Trên thực tế, sự khâu mạch không hoàn chỉnh do sự thủy tinh hóa là một trong những nguyên nhân thường gặp nhất làm hỏng vật liệu composite. Nếu vật liệu được khâu mạch không hoàn chỉnh được nung nóng trong DSC, một đỉnh sau khâu mạch sẽ được quan sát thấy ngay sau sự chuyển tiếp thủy tinh.
Sự chuyển tiếp thủy tinh, enthalpy sau khâu mạch và mức độ khâu mạch ban đầu có thể được xác định bằng cách thực hiện thí nghiệm DSC được điều biến nhiệt độ.
Trong ví dụ được thể hiện, mục đích của phân tích là đánh giá chất lượng khâu mạch của epoxy composite sợi cacbon. Điều này thường được thực hiện bằng cách đo nhiệt độ chuyển tiếp thủy tinh. Tuy nhiên trong trường hợp này, phản ứng sau khâu mạch và chuyển tiếp thủy tinh chồng lấn nhau; đường cong DSC thông thường màu xanh lá chỉ thể hiện một đỉnh tỏa nhiệt duy nhất .

Do đó thí nghiệm được lặp lại bằng kỹ thuật điều biến nhiệt độ. Sự chuyển tiếp thủy tinh bây giờ có thể thấy rõ ở 210 độ C trên đường cong màu đỏ, dòng nhiệt đảo ngược. Do đó, đỉnh nhỏ trên đường cong màu xanh dương, dòng nhiệt không đảo ngược là do phản ứng sau khâu mạch. Nhiệt độ chuyển tiếp thủy tinh và đỉnh phản ứng có thể được sử dụng cho việc kiểm soát chất lượng.

Nhiệt độ, sự trao đổi khí và loại khí là những thông số ảnh hưởng đến biểu hiện mẫu.
Sự oxy hóa là một chủ đề đáng quan tâm, đặc biệt là trong lĩnh vực nhựa và dầu. Biểu hiện và sự ổn định oxy hóa có thể được nghiên cứu bằng cách nung nóng nhanh một mẫu đến nhiệt độ xác định trong khí trơ, thường là nitơ, sau đó chuyển sang khí oxy phản ứng. Thời gian trải qua trước khi mẫu bắt đầu oxy hóa được gọi là Thời gian Phản ứng Oxy hóa hoặc ngắn gọn là OIT. OIT liên quan trực tiếp đến độ bền tương đối của vật liệu ở nhiệt độ cụ thể.

Ví dụ trên slide thể hiện đường cong OIT của ba mẫu polyethylene đã được ổn định đến các mức độ khác nhau. Các mẫu được đo ở 210 độ C trong các chén đựng mẫu mở. Như bạn có thể thấy, sự khác biệt về độ bền oxy hóa của ba mẫu là khá đáng kể.

Tôi đã đề cập trong buổi hội thảo rằng DSC có rất nhiều ứng dụng và phương pháp này có thể cung cấp lượng thông tin rất lớn. Slide tiếp theo tóm tắt các khía cạnh chính của ứng dụng.

Một trong những ứng dụng quan trọng nhất là xác định đặc tính mẫu theo các tính chất cụ thể của vật liệu như nóng chảy, kết tinh, và thay đổi enthalpy khi nung nóng.
Nhiệt độ chuyển tiếp thủy tinh cũng có thể được sử dụng để xác định đặc tính vật liệu nhưng sự chuyển tiếp này tự nó đã là một tính chất vật lý quan trọng.
Độ bền nhiệt như được xác định bởi Thời gian Phản ứng Oxy hóa hay nhiệt độ phân hủy là một thông số kiểm soát chất lượng quan trọng.
Các loại phản ứng hóa học khác và động học của chúng cũng quan trọng, ví dụ như để nghiên cứu tính chất của keo dính hoặc nhựa nhiệt rắn.
Trong công nghiệp dược phẩm, các ứng dụng chính liên quan đến việc phát hiện và nghiên cứu các dạng đa hình và phân tích tạp chất trong các thành phần hoạt động.

DSC có rất nhiều ứng dụng tiềm năng và được sử dụng trong nhiều ngành công nghiệp.
Slide này trình bày tổng quan về các ngành công nghiệp và ứng dụng khác nhau. Bảng thể hiện rằng DSC được sử dụng rộng rãi để xác định sự chuyển tiếp thủy tinh và nghiên cứu các phản ứng hóa học, sự nóng chảy và kết tinh.
Các ứng dụng DSC khác liên quan đến ảnh hưởng của các chất phụ gia, chất đệm hoặc việc xử lý vật liệu. Hình dạng đặc trưng của từng đường cong DSC được sử dụng cho việc kiểm soát chất lượng.

Bây giờ tôi xin trình bày một số ví dụ ứng dụng khác nhau thể hiện khả năng phân tích và sự linh hoạt của kỹ thuật DSC.

Ứng dụng 1a

Slide thể hiện một ví dụ về “dấu vân tay” và sự nhận dạng polyme.
Các loại nhựa khác nhau trên biểu đồ có thể được nhận dạng bằng cách đo nhiệt độ mà tại đó chúng nóng chảy. Các đỉnh nóng chảy của polyme khác nhau rõ ràng về kích thước và vị trí trên trục nhiệt độ.
Các đỉnh nóng chảy của polypropylene, PP, và polyoxymethylene, POM, thể hiện rằng việc nhận dạng phụ thuộc vào cả nhiệt độ nóng chảy và enthalpy nóng chảy, là vùng gạch bóng bên dưới các đỉnh. Nếu loại polyme được biết, mức độ của trạng thái tinh thể có thể được xác định bằng cách lấy tích phân vùng này. Điều này được thể hiện cho polypropylene là vùng gạch bóng màu xanh dương trong biểu đồ.

Ứng dụng 1b

Nhiệt độ chuyển tiếp thủy tinh cũng có thể được sử dụng để nhận dạng và xác định đặc tính polyme.
Sự chuyển tiếp thủy tinh được quan sát khi vật liệu vô định hình được nung nóng và thay đổi từ trạng thái rắn, giống thủy tinh sang trạng thái mềm, giống cao su, hoặc ngược lại khi làm mát. Không có sự hấp thu hay giải phóng nhiệt ẩn, chỉ có sự thay đổi về nhiệt dung riêng.
Song song với ví dụ trước, slide này hiển thị sự chuyển tiếp thủy tinh của một số polyme nhựa nhiệt dẻo.

Ứng dụng 2

Độ bền nhiệt và oxy hóa của vật liệu là một đặc tính chất lượng rất quan trọng vì nhiều vật liệu phân hủy ở nhiệt độ cao và không còn sử dụng được. Chất ổn định thường được thêm vào sản phẩm để chống lại ảnh hưởng này. Độ bền nhiệt của một chất có thể được đo bằng cách sử dụng khí xả phản ứng với mẫu. Trong hầu hết các trường hợp, khí này là oxy.

Slide này thể hiện một ví dụ về việc xác định Nhiệt độ Bắt đầu Oxy hóa (OOT) của các loại dầu ăn khác nhau. Trong thí nghiệm OOT, mẫu được đặt vào chén đựng mẫu mở với tiếp xúc không giới hạn với khí oxy. Nhiệt độ sau đó được tăng lên ở tốc độ không đổi đến khi sự phân hủy tỏa nhiệt của mẫu bắt đầu diễn ra. Nhiệt độ bắt đầu oxy hóa được xem là điểm bắt đầu đường cong đo như được thể hiện trên biểu đồ .

Slide thể hiện rằng các loại dầu khác nhau có độ bền nhiệt khác nhau.

Ứng dụng 3

Một ứng dụng quan trọng khác của phương pháp phân tích nhiệt quét vi sai là đo nhiệt độ phản ứng khâu mạch và chuyển tiếp thủy tinh trong hệ thống nhựa epoxy.
Biểu đồ hiển thị các đường cong DSC của một số mẫu đã được khâu mạch đến các mức độ khác nhau. Kết quả thể hiện rằng, với mức độ khâu mạch tăng lên, sự chuyển tiếp thủy tinh sẽ chuyển đến nhiệt độ cao hơn và enthalpy của phản ứng sau khâu mạch sẽ giảm.
Trong biểu đồ, mức độ khâu mạch tăng lên từ trên xuống dưới, bắt đầu từ đường cong màu đỏ của mẫu không khâu mạch đến đường cong màu xanh lá của mẫu được khâu mạch hoàn toàn. Nếu enthalpy phản ứng của vật liệu không khâu mạch được biết, mức độ chuyển đổi trước phép đo có thể được tính toán từ enthalpy của phản ứng sau khâu mạch. Sự chuyển đổi có liên quan trực tiếp đến mức độ khâu mạch, như được thể hiện ở bên phải biểu đồ.
Biểu đồ được chèn phía trên thể hiện mối quan hệ giữa nhiệt độ chuyển tiếp thủy tinh (T_g) và sự chuyển đổi phản ứng hay mức độ khâu mạch (α) được xác định từ phép đo DSC.

Ứng dụng 4

Phân tích động học được sử dụng để nghiên cứu tốc độ mà phản ứng diễn ra.
Slide tóm tắt các bước được bao gồm trong phân tích động học sử dụng quy trình Model Free Kinetics hay quy trình MFK. Phương pháp này dựa trên số đo của một số phép đo DSC động.

Trong Bước 1, phản ứng tỏa nhiệt được đo bởi DSC ở ba tốc độ nung nóng khác nhau trở lên. Enthalpy phản ứng sau đó được xác định bằng cách vẽ các đường cơ bản phù hợp và lấy tích phân vùng bên dưới đỉnh.

Trong Bước 2, dữ liệu được lấy ở Bước 1 sẽ được sử dụng để tính đường cong chuyển đổi thể hiện mức độ phản ứng hoặc chuyển đổi như một hàm số của nhiệt độ cho ba tốc độ nung nóng.

Trong Bước 3, chương trình model free kinetics sẽ tính năng lượng kích hoạt phụ thuộc chuyển đổi từ đường cong chuyển đổi. Biểu đồ này thể hiện rằng, trong ví dụ này, năng lượng kích hoạt thay đổi trong quá trình phản ứng. Điều này cho biết rằng có hơn một cơ chế liên quan đến phản ứng. Do đó, năng lượng kích hoạt được tính được xem là “năng lượng kích hoạt biểu kiến”.

Cuối cùng ở Bước 4, kết quả của các bước trước sẽ được sử dụng để đưa ra dự đoán về phản ứng, ví dụ như dự đoán đường cong chuyển đồi như một hàm số của thời gian tại mức nhiệt không đổi 170 độ. Sau đó chúng ta có thể, ví dụ như, đọc thời gian cần thiết để đạt mức chuyển đổi 90 phần trăm. Theo đường cong và bảng, thời gian cần thiết là xấp xỉ 30 phút.
Dự đoán này được kiểm tra bằng cách thực hiện một phép đo đẳng nhiệt ở 170 độ và chồng đường cong đã đo lên đường cong được dự đoán. Rõ ràng, hai đường cong trùng khớp rất gần với nhau.

Ứng dụng 5

Để xử lý và lưu trữ hóa chất một cách an toàn, điều quan trọng là biết nhiệt độ mà tại đó các hóa chất bắt đầu phản ứng, tốc độ phản ứng, và năng lượng được giải phóng trong phản ứng. Sau đó các biện pháp an toàn được thực hiện khi xử lý hoặc lưu trữ một chất cụ thể có thể được đánh giá.

Các chất hóa học chứa một hoặc nhiều nhóm nitơ được biết đến nhiều vì có khả năng phát nổ. Một số sản phẩm này, ví dụ như axit picric (trinitrophenol), là vật liệu khởi đầu cho sự tổng hợp hóa chất hoặc được sử dụng cho mục đích phân tích. Các sản phẩm khác được sử dụng làm nhiên liệu phản lực hoặc thuốc nổ, ví dụ như nitrocellulose hoặc ammonium nitrate. Ammonium nitrate dùng làm phân bón là nguyên nhân của một số vụ nổ rất nghiêm trọng.

Slide thể hiện phép đo DSC của ba trong số các chất nguy hiểm về nhiệt này. Kết quả cung cấp thông tin về nhiệt độ bắt đầu phản ứng, tốc độ phản ứng và năng lượng được giải phóng khi những chất có năng lượng phản ứng tỏa nhiệt rất lớn phân hủy. Ví dụ, enthalpy của phản ứng 3450 J/g cho axit picric dưới điều kiện đoạn nhiệt sẽ tạo ra mức tăng nhiệt độ hơn 1000 độ.

Ứng dụng 6

Phân tích biểu hiện nóng chảy của một chất là một phương pháp quan trọng được sử dụng cho việc kiểm soát chất lượng sản phẩm dược phẩm. Đường cong nóng chảy cung cấp thông tin về hiện tượng đa hình và cho phép xác định độ tinh khiết.
Ví dụ, đường cong màu đỏ trên slide thể hiện rằng dạng nửa bền của một chất sẽ nóng chảy ở nhiệt độ thấp hơn dạng bền. Chất nóng chảy sau đó kết tinh thành dạng bền và nóng chảy ở nhiệt độ cao hơn.

Kiến thức về dạng kết tinh cụ thể là rất quan trọng để đánh giá độ bền vật lý và sinh khả dụng của các thành phần dược phẩm hoạt động.
Độ tinh khiết dưới dạng tỷ lệ của một chất có thể được xác định bằng cách đánh giá đường cong nóng chảy bằng phương pháp dựa trên công thức van’t Hoff. Trong ví dụ này, nó được thể hiện bằng đường cong màu xanh dương cho dạng bền của phenobarbital.

Phân tích nhiệt quét vi sai là một kỹ thuật tuyệt vời để xác định tính chất nhiệt của vật liệu như nhựa nhiệt dẻo, nhựa nhiệt cứng, chất đàn hồi, keo dính, hóa chất, sơn và sơn mài, thực phẩm, dược phẩm, chất béo và dầu, kim loại và đồ gốm .
Slide này tóm tắt các tính năng và lợi ích của DSC 1. Thiết bị DSC 1 của METTLER TOLEDO đo dòng nhiệt rất đáng tin cậy với độ phân giải và độ nhạy tối ưu, kể cả các ảnh hưởng nhỏ nhất cũng có thể được đo. Đối với các ứng dụng công suất cao, rô-bốt mẫu cho phép dễ dàng tự động hóa toàn bộ chuỗi mẫu và các loại chén đựng mẫu khác nhau có thể được đo với các chương trình nhiệt độ riêng lẻ.

Vì khái niệm mô-đun, các tùy chọn như bộ thay đổi mẫu hay thiết bị làm mát có thể được thêm vào sau nếu cần thiết.
Quy trình hiệu chuẩn linh hoạt cho phép thiết bị được hiệu chuẩn và điều chỉnh cho toàn bộ phạm vi nhiệt độ từ âm 150 đến dương 700 độ C. 

Cuối cùng, tôi muốn bạn chú ý đến nguồn thông tin bổ sung về kỹ thuật phân tích nhiệt quét vi sai mà bạn có thể tải từ internet.
METTLER TOLEDO xuất bản các bài viết về phân tích nhiệt và những ứng dụng từ các lĩnh vực khác nhau hai lần mỗi năm trong UserCom, tạp chí khách hàng kỹ thuật xuất bản hai lần mỗi năm của METTLER TOLEDO. Các bản phát hành cũ có thể được tải dưới dạng tập tin PDF từ Internet như được thể hiện ở cuối slide. Các ứng dụng riêng lẻ cũng có thể được tìm kiếm trên trang chủ của METTLER TOLEDO.

Ngoài ra, bạn có thể tải thông tin về sổ tay ứng dụng, hội thảo trực tuyến hoặc tài liệu khác từ các địa chỉ internet có trên slide này.

Bài thuyết trình của tôi về phân tích nhiệt quét vi sai xin được kết thúc tại đây. Cảm ơn quý vị đã quan tâm theo dõi.