آنالیز DSC

دستگاه DSC

دو نوع دستگاه آنالیز حرارتی DSC وجود دارد. یکی مبنی بر اندازه گیری شار حرارتی و یکی مبنی بر اندازه گیری توان الکتریکی کار می کند. در دستگاه DSC مبتنی بر شار حرارتی، اختلاف دما مستقیما اندازه گیری شده و سپس به اختلاف جریان حرارت تبدیل می شود. این تبدیل توسط رایانه ای که در دستگاه DSC قرار دارد، انجام می شود. در دستگاه اناليز حرارتي DSC مبتنی بر اندازه گیری توان الکتریکی، تغییر آنتالپی نمونه در حین تحول حرارتی مسقیما اندازه گیری می شود. مطابق شکل زیر این دستگاه دارای دو محفظه جدا برای قرار دادن نمونه شاهد و مجهول است.

شماتیک ساده دستگاه آنالیز حرارتی DSC

هر کدام از این دو محفظه، عنصر گرمادهی مخصوص به خود جهت تنظیم دما دارند. دستگاه آنالیز حرارتی DSC ، همواره حالت ΔT=0 را حفظ می کند. زمانی که به نمونه حرارت داده می شود، توان عنصر حرارتی باید تغییر کند تا دمای نمونه در حد دمای نمونه مرجع حفظ شود. 

اصول اجرای آنالیز DSC

در آنالیز گرماسنجی روبشی تفاضلی از دو نمونه مجهول و شاهد استفاده می شود که در دمای یکسان نگهداری می شوند. برای ثابت نگه داشتن دمای این دو نمونه، انرژی متفاوتی نیاز است. درنتیجه تفاوت انرژی لازم بر حسب تغییر دما رسم می شود. در دستگاه آنالیز حرارتی DSC دو گرمکن الکتریکی جداگانه برای گرم کردن نمونه ها استفاده می شود. در همین راستا دو ترموکوپل نیز برای تعین دمای نمونه ها وجود دارد.

دستگاه DSC

واحد کنترل کننده در دستگاه DSC پس از دریافت دمای مربوط به هر دو نمونه، انرژی لازم برای یکسان نمودن دمای آن ها را مشخص کرده و اجرا می کند. در نتیجه تفاوت انرژی داده شده به نمونه مجهول و شاهد برای ثابت نگه داشتن دمای آن ها، توسط واحد ثبت کننده در دستگاه DSC رسم می شود.

روش های گرماسنج روبشی تفاضلی DSC

از جمله روش های موجود برای انجام گرماسنج روبشي تفاضلي DSC می توان به روش تاگوچی، ازمون DSC فشار بالا و آزمون DSC نوری اشاره کرد که در ادامه به توضیح هر کدام پرداخته می شود.

روش تاگوچی در تست DSC

این روش به منظور تشخیص و دستیابی به پارامترهای بهینه برای گرمای ذوب و دمای پیک استفاده می شود که در اندازه گیری های به نسبت کم کاربرد دارد. این پارامترها، عواملی هستند که می توانند اندازه گیری را تحت تاثیر قرار دهند. این عوامل شامل عوامل کنترلی و عوامل اختلالی می شود. عوامل کنترلی مانند نرخ حرارت دهی، عواملی هستند که می توانند کاملا تحت کنترل قرار گیرند.

نمایی نزدیک از دستگاه گرماسنج روبشی تفاضلی DSC

عوامل اختلالی عواملی هستند که تاثیرات ناخواسته می گذارند. برای مثال، انتقال حرارت تجدیدپذیر بین ظرف تست DSC و نمونه و یا تغییرات در دمای محیط از جمله عوامل اختلالی هستند.

آنالیز حرارتی DSC فشار بالا

اناليز DSC فشار بالا باعث می شود آزمون سریع و راحت انجام  شود. برای جلوگیری از ایجاد حباب در نمونه انجام تست DSC در فشار بالا توصیه می شود. در برخی واکنش ها، سینتیک واکنش تحت تاثیر فشار است برای بررسی این تاثیر، ایجاد واکنش تحت فشار کنترل شده لازم است.

دستگاه DSC فشار بالا

آزمون DSC تحت فشار این امکان را فراهم می کند تا تحولاتی مانند T_g و نقطه جوش که نسبت به فشار واکنش نشان می دهند و هم چنین نقاط جوش و فشاربخار را بررسی و محاسبه کرد.

گرماسنج روبشی تفاضلی DSC نوری

روش گرماسنجی روبشی تفاضلی نوری یا فرابنفش، دستگاهی است که نمونه را در معرض تابش نور فرابنفش قرار می دهد. این روش امکان مطالعه سیستم های درمانی و بهبوددهنده مبتنی بر نور ماورابنفش را فراهم می کند. گرماسنج روبشی تفاضلی DSC نوری می تواند مکانیسم تجزیه مواد تحت نور فرابنفش را بررسی کند. از آن جایی که شدت نور فرابنفش زیاد است، انجام ازمون DSC با این روش، سرعت بالایی دارد.

تعیین مقدار نمونه در تست DSC

تعیین مقدار نمونه مورد استفاده در اناليز حرارتي DSC به نتیجه ای که به دنبال آن هستیم بستگی دارد. اگر مقدار نمونه زیاد باشد، اثرات حرارتی کم را می توان ثبت کرده و اندازه گیری کمی، دقیق خواهد بود.

تصویر جانمونه ای در دستگاه گرماسنج روبشی تفاضلی

اما اگر مقدار نمونه مورد استفاده در آزمون DSC کم باشد، وضوح پیک ها افزایش یافته، شکل آن ها منظم می شود، تماس حرارتی نمونه با ظرف بخوبی انجام می شود، گازهای حاصل از تجزیه حرارتی به آسانی حذف می شوند، گرادیان دما در نمونه به حداقل می رسد و می توان سرعت حرارت دهی را بالا برده و نتایج کیفی مطلوبی به دست آورد.

مقایسه آناليز DSC با آنالیز DTA

تست DSC نسبت به آنالیز DTA حالت کمی دارد (به طور مستقیم گرمای واکنش محاسبه می شود).

آناليز DSC به دلیل محدودیت گرمکن و حسگرها در دماهای کمتر از 1200 درجه سانتی گراد کاربرد دارد در حالی که آنالیز DTA در دماهای بالاتر نیز می تواند استفاده شود.

مقایسه روش های آنالیز DSC و DTA

آزمون DSC را بیشتر متخصصین شیمی و DTA را متخصصین سرامیک استفاده می کنند.

کاربردهای فیزیکی و شیمیایی آنالیز DSC و DTA

برخی کاربردهای فیزیکی و شیمیایی تست DSC و DTA که در هر دو روش کاربرد دارد در جدول زیر آورده شده است:

کاربردهای آنالیز DSC و DTA

برای تعیین گرمای ویژه در اناليز DSC از فرمول زیر استفاده می شود:

H=BƟC_P

که در این رابطه، H گرمای واکنش، B عامل کالیبره کردن، Ɵ سرعت گرمایش و C_P گرمای ویژه است. با یک ماده استاندارد، مقدار عامل کالیبره کردن مشخص می شود سپس گرمای ویژه مجهول محاسبه می شود.

شکل مربوط به تعیین گرمای ویژه در آنالیز گرماسنجی روبشی تفاضلی

از دیگر کاربردهای تست DSC می توان به بررسی ثبات حرارتی پلیمرها، آنالیز داروها، بررسی پایداری اکسیداتیو، اندازه گیری تغییرات آنتالپی و تعیین ترکیب پلیمرها، دمای ذوب و شیشه ای شدن اشاره کرد.

تفسیر آنالیز DSC

تفسیر آنالیز حرارتی DSC با استفاده از منحنی حاصل از آن امکان پذیر است. نتیجه آناليز حرارتي DSC به صورت یک منحنی از شار حرارتی نسبت به دما یا زمان رسم می شود. منحنی DSC مربوط به دما می تواند گرمازا یا گرماگیر باشد. در گرمازا، یک پیک مثبت یا منفی در نمودار ایجاد می شود. این منحنی برای به دست آوردن آنتالپی تغییر فاز در آزمون DSC استفاده می شود.

به منظور تفسیر آنالیز DSC باید پیک های تشکیل شده در منحنی DSC را شناسایی کرد. برای مثال شکل زیر مربوط به منحنی تست DSC است که در آن جریان حرارتی بر حسب دما رسم شده است. واحد جریان حرارتی به صورت انرژی در واحد جرم به صورت Wg^-1 تعریف می شود.

منحنی DSC مربوط به یک نمونه پلیمری

این منحنی مربوط به یک نمونه پلیمری بوده و تفسیر آنالیز DSC مربوط به این منحنی بدین صورت است که در این نمونه دمای انتقال شیشه ای، تبلور، ذوب، تجزیه و اکسید شدن را می توان مشاهده کرد.

مزایا و معایب گرماسنج روبشی تفاضلی DSC

روش گرماسنجی روبشی تفاضلی فرآیندی نسبتا کمی است که با کمک آن می توان به تعیین وزن مولکولی و درصد بلورینگی رسید. آزمون DSC نیاز به آماده سازی نمونه ندارد اما این روش در آنالیز مایعات ناتوان است. هم چنین در برخی موارد تحلیل و تفسیر آنالیز DSC آسان نیست.

دستگاه DSC

آنالیز گرماسنجی روبشی تفاضلی را می توان به صورت ترکیبی با سایر تکنیک ها مانند آنالیز XRD ، آنالیز ICP ، و دیگر تست ها مانند FTIR ، RAMAN و IGA   به کار برد که بسیار مفید خواهد بود.

خدمات آنالیز DSC

خدمات آنالیز DSC شامل محاسبه آنتالپی واکنش، تعیین دمای ذوب، دمای شیشه ای شدن، تعیین وزن مولکولی، درصد بلورینگی، تعیین تصعید و تجزیه حرارتی طبق نیاز متقاضی در مراکز تحقیقاتی و آزمایشگاه های آنالیز قطعات و مواد انجام می شود. هم چنین تفسیر آنالیز DSC توسط کارشناسانی که در این مراکز و آزمایشگاه ها حضور دارند از جمله خدمات آنالیز DSC است.

هزینه آنالیز DSC

عوامل مختلفی وجود دارند که باعث می شود هزینه آنالیز DSC متفاوت باشد.

شماتیک سیگنال های ارسالی برای رسم منحنی DSC

 برای مثال تعیین عوامل مختلف مانند شناسایی انواع تحولات و فازها، تعیین ترکیب مواد و محاسبات آنتالپی و گرمای ویژه در آنالیز گرماسنجی روبشی تفاضلی ، هزینه آنالیز DSC را تغییر می دهند. هم چنین هزینه آنالیز DSC و آنالیزهای حرارتی به صورت دقیقه ای حساب می شوند. اگر در تفسیر آنالیز DSC نیاز به کمک دارید کارشناسان و در برخی موارد اپرتور دستگاه DSC می توانند در این زمینه به شما کنند که این مسئله نیز هزینه آنالیز DSC را افزایش می دهد.