What is differential scanning calorimetry and how does it measure thermal properties?

Differential scanning calorimetry (DSC) is a measurement technique that characterizes thermal properties of materials by comparing heat flow between a sample pan and an empty reference pan. Both pans are heated identically, and the difference in energy required to maintain equal temperatures is recorded versus temperature. This heat flow data reveals phase transitions, melting events, and other thermodynamic changes in the material.

How do crystalline, amorphous, and semi-crystalline polymers differ in their thermal behavior?

Crystalline polymers have long-range ordered chain structures and undergo melting during heating. Amorphous polymers have randomly organized chains and transition from rigid glass to rubbery states through glass transition. Semi-crystalline polymers contain both ordered and disordered regions, so they exhibit both glass transition in amorphous parts and melting in crystalline parts during DSC heating.

What do endothermic and exothermic peaks represent in a DSC curve?

In DSC plots, endothermic events—those absorbing heat—appear as valleys or downward peaks, while exothermic events—those releasing heat—appear as upward peaks. The heat of melting (ΔHm) is calculated from the area under endothermic peaks during heating, and the heat of cold crystallization (ΔHc) is calculated from exothermic peaks during cooling, allowing percent crystallinity determination.

How is polymer percent crystallinity calculated using DSC data?

Percent crystallinity is determined by measuring both the heat of melting (ΔHm) during heating and the heat of cold crystallization (ΔHc) during cooling phases. These values are obtained from the areas under their respective DSC peaks. Using the known heat of melting for a 100% crystalline reference sample, the percent crystallinity is calculated as a ratio of the measured values to the reference value.

What preparation steps are required before running a DSC measurement?

Before measurement, allow the DSC instrument to warm up for about an hour and verify that compressed nitrogen and liquid nitrogen tanks are full. Prepare two chemically inert pans by poking small holes in their lids and sealing them with a crimping press. Place empty pans on furnace sensors, define measurement parameters in software including temperature program and calibration files, and verify the furnace is within five degrees of the initial temperature before starting.

How should polymer samples be prepared and loaded into DSC pans?

Cut polymer samples into small pieces and weigh the empty pan with lid first. Arrange sample pieces in a thin, even layer covering the entire pan bottom to ensure uniform heat flow. Seal the pan with a crimped lid, then weigh the full pan and subtract the empty pan weight to determine sample mass. Input the sample name and mass into the DSC software before beginning the scan.

What applications extend DSC beyond polymer crystallinity analysis?

DSC measures enthalpy changes during chemical reactions and phase transitions in diverse materials. For biological samples, DSC analyzes freeze-drying properties by measuring glass transitions in frozen cell suspensions, helping optimize storage conditions. DSC also quantifies decomposition reactions, such as calculating the enthalpy of calcium carbonate decomposition, making it valuable for studying thermodynamic events across materials science and biological research.

Дифференциальная сканирующая калориметрия

0 просмотров12:03 мин

Включите машину и дайте ей прогреться около часа.
Убедитесь, что бак для сжатого азота и бак для жидкого азота заполнены, а соединительный клапан открыт. Расход сжатого азота регулируется на уровне 10 фунтов на квадратный дюйм с помощью регулировочных ручек на регуляторе.
Подготовьте две пустые кастрюли. Проделайте небольшое отверстие в крышке каждого и запечатайте с помощью обжимного пресса. Снимите три крышки печи и установите поддоны на два круглых датчика внутри печи. Установите на место все три крышки.
Нажмите на значок с надписью DSC 3500 Sirius, чтобы запустить программное обеспечение устройства.
Выберите Файл → Создать. Откроется окно Определение измерения; Включены четыре вкладки, которые запрашивают ввод информации. Первая вкладка — это вкладка «Настройка». Он содержит информацию об приборе и не требует внесения изменений для выполнения измерений по стандартной методике.
Нажмите на вторую вкладку с надписью Header. Выберите Коррекция в разделе Тип измерения. При этом базовое измерение будет сохранено в виде файла коррекции, который позже будет вычтен из образца измерения программным обеспечением.
Введите Базовый план с датой в качестве образца Идентификатор и Имя в разделе Образец.
В разделе Калибровка температуры нажмите кнопку Выбрать. После этого откроется отдельное окно; Найдите самый последний файл калибровки температуры, сохраненный на компьютере, и выберите его.
Для измерения процента кристалличности нажмите кнопку Выбрать в разделе Калибровка чувствительности и выберите самый последний файл калибровки чувствительности, сохраненный на компьютере.
Выберите третью вкладку с надписью Temperature Program.
Установите флажки «Продувка 2» и «Защита», перечисленные в разделе «Условия шага». Это включает продувочный газ азотом на всех температурных ступенях.
Выберите «Начальный» в разделе «Категория шага» и введите 20 °C в качестве начальной температуры.
Выберите Динамический в разделе Категория шага и введите температуру в поле Конечная температура. Эта конечная температура должна быть примерно на 30 °C выше, чем заявленная температура плавления образца полимера. Максимальная температура, допустимая для алюминиевых сковород, составляет 600 °C; В качестве меры предосторожности не поднимайтесь выше 550 °C. Введите 10 K/мин в качестве скорости нагрева.
Выберите Динамический в категории шага и введите 20 °C для конечной температуры.
В верхней части экрана нажмите на стрелку выпадающего списка под LN2 для второго этапа охлаждения, который возвращает печь к комнатной температуре. Выберите Авто. Это указывает температурной программе на автоматическое включение жидкого азота для охлаждения печи после завершения этапа нагрева.
Выберите «Окончательный» в разделе «Категория шага». Введите 20 °C в качестве конечной температуры.
Программа запросит аварийный сброс температуры. Введите температуру на 10 °C выше, чем самая высокая температура, установленная в программе температуры. Это защитная настройка, которая предотвращает нагрев машины выше заданной температуры в случае неисправности машины. Это защищает печь от нагрева до температуры, которая может испарить образец и повредить машину.
После этого программа запросит информацию об окончательном резерве. Эта информация будет удерживать печь при конечной температуре до 2 часов, чтобы поддерживать ее в равновесии, но не повлияет на собранные данные. Входная температура 20 °C для температуры в режиме ожидания, 40 K/мин для скорости нагрева и максимальное время работы в режиме ожидания 2 часа.
Выберите четвертую вкладку с надписью «Последние элементы».
Справа от поля «Имя файла» нажмите кнопку «Выбрать». Выберите место на компьютере для сохранения сканирования и назовите его Базовый с датой (то же имя, что указано на вкладке Заголовок).
Нажмите кнопку «Вперед» в правом нижнем углу окна определения измерений. Появится новое, меньшее окно, в котором будет указана начальная температура, определенная в температурной программе, и текущая температура печи. Для запуска программы текущая температура печи должна быть в пределах 5 градусов от начальной температуры.
Если температура печи находится в пределах 5 градусов от начальной температуры программы, нажмите «Пуск», и начнется измерение. Если температура печи слишком низкая, нажмите кнопку «Пуск», и машина выполнит этап нагрева и балансировки перед началом измерения. Если печь слишком горячая, выберите Диагностика → Газы и переключатели. Установите флажок для LN2 и дайте жидкому азоту течь до тех пор, пока температура не достигнет 5 градусов от начальной. Затем снимите галочку с поля LN2 и нажмите Start, чтобы начать измерение.
После выполнения сканирования базовой линии извлеките пустую базовую сковороду и замените ее кастрюлей с образцом. Кастрюли имеют диаметр около 6 миллиметров и объем 25 микролитров, поэтому требуют очень небольшого количества пробы. Нарежьте образец небольшими кусочками, которые помещаются в кастрюлю. Чтобы обеспечить равномерный тепловой поток и точные показания ДСК, образцы помещаются тонким слоем так, чтобы покрыто все дно кастрюли.
Выберите «Файл» → «Открыть». Нажмите кнопку ОК, когда программа попросит удалить текущую конфигурацию, а также найдите и откройте сканирование базового уровня.
Окно определения измерений откроется на странице быстрого определения. Выберите «Коррекция плюс выборка» в разделе «Тип измерения».
В разделе «Образец» введите название образца в поле «Идентификация» и «Имя» и введите массу образца в миллиграммах.
В нижней части окна нажмите кнопку Выбрать. Выберите место для названия и сохраните скан.
Выберите Переслать. Нажмите кнопку «Пуск», когда появится окно меньшего размера.
После завершения измерения закройте программу, выключите бак со сжатым азотом и выключите машину.
Найдите сохраненное измерение для сканирования образца и дважды щелкните по нему. После этого сканирование откроется в программном обеспечении Proteus Analysis.
Используйте программное обеспечение для поиска области под кривыми плавления и рекристаллизации. Эти величины представляют собой теплоту плавления и теплоту холодной кристаллизации полимерного образца в джоулях на грамм.
Процент кристалличности можно рассчитать с помощью уравнения, приведенного выше:
Кристалличность =

Источник: Даниэль Н. Битти и Тейлор Д. Спаркс, Факультет материаловедения и инженерии, Университет штата Юта, Солт-Лейк-Сити, Юта

Дифференциальная ска…