Was ist Differential Scanning Calorimetry?
ZL-3047A Differential Scanning Calorimetry (DSC) ist eine Analysetechnik zur Messung der durch eine Probe während des Erhitzens oder Abkühlens über einen bestimmten Temperaturbereich freigesetzten oder absorbierten Wärme.Neben der Charakterisierung der thermischen Eigenschaften von Materialien, wird DSC auch verwendet, um die Temperaturen zu bestimmen, bei denen spezifische Phasenübergänge auftreten, einschließlich der Temperatur des Glasübergangs, des Schmelzens und der Kristallisation.
Um ein differenzielles Kalorimetrie-Experiment durchzuführen,ein Gerät erforderlich ist, das den für die Prüfung erforderlichen Temperaturbereich bietet und Temperatur- und Wärmeflussänderungen genau überwacht.
EineGerät für den Wärmefluss DSCbesteht aus einem Ofen, in dem die Probe und das Referenzmaterial eingesetzt werden; die Probe wird in eine Metallpfanne (typischerweise aus Aluminium) eingekapselt, während die Referenzpfanne normalerweise eine leere Pfanne ist.Der Ofen wird erhitzt oder gekühlt, und die Wärmeflussmerkmale werden beobachtet, da sie mit der Temperatur variieren.Quantitative Wärmeflussinformationen können aus der gemessenen Temperaturdifferenz zwischen der Probe und der Referenz ermittelt werden..
Nach all diesem technischen Gespräch fragen Sie sich vielleicht noch, was genau DSC ist? Heute wollen wir es in einfacher Sprache aufschlüsseln, um sein Kernprinzip zu verstehen.
Mit anderen Worten, das DSC-Instrument enthält zwei Teile im Inneren:
•Einer hält die Probe
•Während der andere eine"Referenzmaterial"(typischerweise ein inertes, leeres Schmelztiegel, das keine thermischen Veränderungen erleidet).
Das ist der Grund:
Stellen Sie sich vor, Sie kochen und wollen erkennen, ob etwas in der Pfanne istsich verändernSie haben:
Pan A: enthält Ihre Probe (z. B. ein Steak)
Pan B: Leer (nur die Pfanne)
Du wärmst beide Pfannen.identischauf getrennten, aber identischen Öfen.
Wenn Sie nur Pan A überwachen:
Sie sehen, dass die Temperatur steigt, aber SieIch weiß es nicht.:
Absorbiert die Pfanne Wärme?
Kocht das Steak (Endothermie)?
Oder ist es nur Stromfluktuation?
- Ich weiß.Du lernst nichts über das Verhalten des Steaks allein!
Aber wenn Sie Pan A gegen Pan B vergleichen:
Wenn Pan A aufheiztlangsamer(weil das Steak Wärme absorbiert, um zu kochen) während Pan B normal erwärmt → Sie erkennen:
"Aha! Etwas in Pan A absorbiert Wärme, während es eine physikalische Veränderung durchläuft (wie Schmelzen oder Glasübergang)!"
Das ist das "Differential"-Prinzip:
Sie messen nicht.absolute Wärme in Pan ADu verfolgst denWärmeflussdifferenzzwischen Pan A und Pan B.
Art des Materials | Primäre DSC-Anwendungen | Gemeinsame Parameter |
Weichweizen (z. B. Polyester, Nylonfasern) |
- Analyse des Kristallisierungsverhaltens (Kristallinität) - Beurteilung der Angemessenheit der Wärmebehandlungs- und Nachspinnverfahren - Kontrolle der Konsistenz von Charge zu Charge |
Tg, Tm, Kaltkristallisierungsspitze, Kristallinität |
Filme (z. B. BOPP- oder PET-Folien) |
- Untersuchung der thermischen Verhaltensunterschiede vor/nach der biaxialen Dehnung - Analyse der Schmelzpunktverteilung (Erkennung polymorpher Phasen) - Untersuchung der Beziehung zwischen Wärmesiegelbarkeit und Kristallinität |
Tg, Tm, Kristallinität, Schmelzspitzenbreite |
Allgemeine Kunststoffe (z. B. PP, PE, ABS) |
- Bestimmung des kristallinen/amorphen Verhältnisses - Identifizieren von Rohstoffarten (Tg/Tm als "Fingerabdrücke") - Beurteilung der Effekte der Vermischung/Modifikation |
Tg, Tm, ΔH (Schmelzen), ΔH (Kristallisierung) |
Klebstoffe (z. B. Epoxy, PUR) |
- Bewertung der Reaktions-/Härtigungsgrad - Analysieren Sie die Dichte der Querverbindungen. - Unterscheidung zwischen thermoplastischen und reaktiven Typen - Messung von Tg zur Vorhersage des Betriebstemperaturbereichs |
Tg, exothermer Spitzenwert, Restreaktionshitze |
Kautschuk (z. B. EPDM, SBR, Silikon) |
- Korrelation von Tg mit der dynamischen Leistung - Beurteilung der Veränderungen der Dichte der Querverbindungen |
Tg, Tg-Verlagerung, thermische Effekte |
Die folgende Abbildung ist eine typische DSC-Kurve mit vier Arten von Übergängen:
Der Temperaturkoeffizient ist →
Ⅰ Bei einem sekundären Übergang handelt es sich um eine Änderung der horizontalen Ausgangslinie
ⅡBei der Wärmeabsorptionsspitze wird sie durch das Schmelzen oder den Schmelzübergang der Prüfprobe verursacht.
ⅢBei der Wärmeabsorptionsspitze wird sie durch die Zersetzung oder Spaltung der Prüfprobe verursacht.
Ⅳ ist der exotherme Peak, der sich aus dem Übergang der kristallinen Phase der Probe ergibt
Interpretation von DSC-Grafikachsen
X-Achse (horizontale Achse)
Vertretung: Temperatur
Einheit: Grad Celsius (°C)
Erläuterung: Einfache Anzeige zeigt die Temperaturrampel während der Heizung/Kühlung an.
Y-Achse (vertikal)
Vertretung:Wärmefluss(auchWärmekraft)
Einheit: Milliwatt (mW)
Wichtige Erklärung:
Die Y-Achse macht- Nein.Temperatur oder Gesamtenergie anzeigen.
Es misst dieWärmeflussdifferenzzwischen der Probe und der Referenzpfanne, um die gleiche Erwärmungsrate zu erhalten.
Beispiel:
Wenn der DSC lautet:Wärmefluss = 8 mW, bedeutet:
Die Probe istWärme absorbierend(endothermisch).
Das Instrument liefert00,008 J/s zusätzlichauf die Probe (gegenüber der Referenz), um beide Erwärmungen gleichmäßig zu halten.
Steigung (Wärmeflussänderungsrate)
Definition: Wie schnell sich der Wärmefluss pro Temperatur-/Zeiteinheit ändert.
Auslegung:
Steilere Steigung→ Die Wärmeabsorption beschleunigt sich (z. B. plötzliche Schmelze).
Flachere Steigung→ Der Wärmefluss ändert sich allmählich.
Steilere Abfahrt→ Die Wärmefreisetzung nimmt zu (z. B. beginnt eine exotherme Reaktion).
Anmerkung:Die "positive" oder "negative" Richtung der Spitzen auf einer DSC-Kurve ist nicht absolut, sondern hängt von derEinstellung der Wärmeflussrichtung.
Einige der internationalen Normen, denen DSC entspricht, sind wie folgt.
Standard Nr. | Anwendungsbereich | Schlüsselinhalte |
ISO 11357 | DSC-Prüfung von Kunststoffen | Glasübergang (Tg), Schmelzen (Tm), Kristallisation, oxidative Stabilität |
ASTM E967 | DSC-Temperaturkalibrierung | Temperaturkalibrierung unter Verwendung von Referenzmaterialien (z. B. Indium, Zink) |
ASTM E968 | Kalibrierung des DSC-Wärmeflusses | Kalibrierung des Wärmeflusssignals über die Schmelzeenthalpie |
JIS K 7121 | Japanische Industriestandard (Äquivalent zu ISO 11357) | Grundlegende Methoden für die thermische Analyse von Kunststoffen |
Materialspezifische Normen
Polymere
ISO 11357-3: Messung der Kristallinität
ASTM D3418: Schmelz-/Kristallisierungstemperaturen und Enthalpie
ASTM D7426: Tg-Analyse von Kautschuk
Arzneimittel
USP < 891>: Validierung der thermischen Analyse
ICH Q6A: Polymorph-Erkennung (DSC ist die primäre Methode)
Metalle
ASTM E794: Bestimmung des Schmelzpunktes von Metallen
ISO 17851: Oxidationsverhalten
Spezialisierte Methoden
Standards | Prüfungstyp | Anwendungsbeispiel |
---|---|---|
Einheitliche Kennzeichnung | Zeit der Oxidationsinduktion (OIT) | Stabilität von Polyethylenrohren |
ASTM D3895 | Polyolefin-OIT-Prüfung | Zusatzwirksamkeit |
ISO 11357-4 | Messung der Wärmekapazität | Verbundwerkstoffe |
Kalibrierung und Validierung
ISO 11357-1: Grundlegende DSC-Kalibrierung
ASTM E2716: Verfahren zur Datenvalidierung
NIST SRM 720: Saphir-Wärmekapazitätsstandard
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