Calorimetria diferențială de scanare

1.Principiu fizic

Calorimetria diferențială cu baleiaj (DSC) face parte din categoria metodelor calorimetrice de analiză al căror obiectiv este măsurarea schimbului de căldură.

Tehnica DSC reprezintă metoda cel mai frecvent utilizată pentru studiul descompunerilor exoterme în vederea determinării căldurii totale de reacție și pentru evaluarea cineticii reacției chimice prin prelucrarea ulterioară a datelor primare. Deoarece majoritatea reacțiilor chimice și multe tranziții fizice sunt însotite de generare sau consum de căldură, metoda calorimetrică este o metodă generală și pentru investigarea unor astfel de procese.

Metoda DSC este aplicată pentru caracterizarea materialelor, control calitativ, identificare de substanțe sau amestecuri de substanțe, investigarea stabilității, evaluarea diagramelor de fază, determinări de puritate, investigații cinetice, cercetare în vederea prevenirii accidentelor.

Folosind metoda DSC se poate determina căldura de reacție care apare în domeniul de temperatură analizat (de obicei de la temperatura camerei pana la aproximativ 600oC în funcție de firma furnizoare de aparat).

Datorită cantității mici de probă utilizată (aproximativ 1 mg) este exclus orice pericol de explozie. Această cantitate de substanță se așează în interiorul unui mic creuzet din metal, natura materialului din care este realizat creuzetul fiind funcție din procesul pentru care este utilizat, tranziții fizice sau efecte exoterme.

Deoarece în urma unui efect exoterm se degajă o cantitate considerabilă de gaze, pentru a nu fi distrus creuzetul se practică folosirea pentru astfel de procese a unor creuzete cu capac perforat sau în unele cazuri folosirea de creuzete fara capac. Creuzete închise sunt folosite pentru substanțele cu volatilitate ridicată pentru prevenirea evaporării.

Efectele termice din probă apar ca deviații de la linia de bază fiind funcție de cantitatea de energie furnizată probei, care este mai mică sau mai mare în comparație cu energia furnizată materialului de referință.

Din evaluarea ariei picului exoterm și a celui endoterm se vor obține valorile corespunzatoare căldurii reacției de descompunere, respectiv căldura tranziției fizice implicate.

Din curba DSC este posibilă nu numai caracterizarea unui proces ca exoterm sau endoterm, ci și definirea tipurilor de tranziții implicate. Dacă pe diagramă apar mai multe picuri, endoterme sau exoterme, acestea se raportează la picul endoterm ce reprezintă topirea substanței și care este cunoscut.

Dacă are loc o suprapunere a picurilor atunci trebuie ca experimentele ulterioare să fie realizate în condiții în care sunt variate masa probei sau viteza de încălzire, pentru a avea o bună rezoluție a picurilor.

Prin folosirea unor viteze din ce în ce mai mici are loc o reproductibilitate mai bună a semnalului. Odată cu creșterea vitezei de încălzire picul exoterm și temperatura sa de start se deplasează spre valori mai ridicate, în timp ce picul endoterm rămâne la aceiași temperatură.

Pentru a studia procesul de descompunere în absența picului endoterm, de topire, experimentele se realizează în regim izoterm.

Acesta reprezintă procesul de încalzire a probei până la o temperatură prestabilită și de menținere izoterm, la acea temperatură o perioadă determinată de timp.

În continuare voi prezenta un model de calorimetru cu scanare diferențială produs de firma Netzsch și care are următoarele caracteristici :

- domeniul de temperatură : 25 ..700șC, cu răcire cu apă între -85 600șC și cu răcire, mecanică, cu azot -180 700șC;

- viteza de încălzire : 0.001 până la 100 K/min;

- viteza de răcire : 0.001 până la 100 K/min;

- controlul gazelor din incintă cu ajutorul unui microcontroler pe 24 biți AD utilizând un soft specific;

- timpul de înregistrare a datelor din sistem poate fi controlat și menținut constant dacă este cazul : 0,6 până la 3;.

- sistem automat de schimbare a probei, pentru un număr maxim de 64 de probe.

În figura următoare este prezentat un calorimetru într-o formă de ultimă generație a echipamentului :

Fig. 1 Calorimetru cu scanare diferențială varianta actuală

Utilizarea acestui echipament în analiza materialelor are o mare importanță pentru că arată o diferențiere bună între punctele de topire a diferitelor elemente care alcătuiesc proba.

Acest calorimetru are un senzor de temperatură foarte precis care face o excelentă diferențiere între punctele de topire a elementelor componente pentru domeniul de temperatură 450-680șC.

2.Elemente constructive

Schema de principiu a acestui aparat este prezentată în următoarea imagine:

Fig. 2 Schema de principiu a unui calorimetru cu scanare diferențială

Prelucrarea datelor experimentale, care se pot stoca ușor sub formă de tabel în excel, se relizează cu un soft specializat obținut de la firma producătoare și prin interpretarea datelor se obțin rezultatele analizei.

Utilizarea softului acestui utilaj de măsură și control crește numărul de informații, prin analiză, și pentru alte probleme cum ar fi: termocinetica cu analiză folosind mai multe curbe prin regresie neliniară, simulări termice a procesului cu precizie și la scară de producție, evaluarea purității componentelor, separarea vârfurilor care indică elementele componente.