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Calorimétrie différentielle de balayage

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La calorimétrie différentielle ou DSC est une technique de mesure importante utilisée pour caractériser les propriétés thermiques des matériaux en particulier les polymères. La configuration de mesure DSC se compose d'échantillons séparés et de casseroles de référence, chacune avec des capteurs de température identiques. La température de l'échantillon contenant l'échantillon d'intérêt et la casserole de référence qui reste généralement vide sont contrôlées indépendamment à l'aide de radiateurs séparés mais identiques. La température des deux casseroles est augmentée linéairement. La différence dans la quantité d'énergie ou de flux de chaleur nécessaire pour maintenir les deux casseroles à la même température est enregistrée en fonction de la température. Par exemple, si le moule d'échantillon contient un matériau qui absorbe l'énergie quand il subit un changement de phase ou une réaction le chauffe-eau sous le bac d'échantillon doit travailler plus dur pour augmenter la température de casserole que le chauffe-eau sous le bac de référence vide. Cette vidéo montrera comment utiliser DSC pour déterminer les transitions de phase de polymère et calculer la cristallinité pour cent d'un polymère.

En raison de la longue structure en chaîne des polymères, les brins peuvent présenter un ordre à longue portée et sont appelés cristallins ou peuvent être organisés au hasard, appelés amorphes. Les polymères cristallins subissent une transition de phase du solide au liquide jusqu'à la fonte. Alors que les polymères amorphes passent de leur état rigide, appelé verre, à leur état caoutchouteux à travers une transition de verre. Ces événements peuvent être mesurés à l'aide de DSC. Cependant, la plupart des polymères cristallins ne sont que partiellement cristallins, le reste des chaînes étant amorphes. Ces polymères semi-cristallins sont appelés. Dans ces matériaux, les parties amorphes du polymère subissent une transition de verre pendant le chauffage tandis que les parties cristallines subissent la fonte.

Ces événements sont visualisés dans une courbe DSC du flux de chaleur par rapport à la température. Les changements exothermiques, c'est-à-dire ceux qui dégagent de la chaleur, sont présentés comme des pics dans l'intrigue. Tandis que les événements endothermic, ceux qui absorbent la chaleur, apparaissent comme vallées. Ces pics et vallées sont spécifiques à certains changements de phase dans un polymère. La chaleur de la fonte, delta Hm, est la quantité d'énergie nécessaire pour induire la fonte dans un polymère cristallin lorsque la température augmente. Nous pouvons calculer la chaleur de la fonte en prenant la zone sous le pic endothermique pendant la phase de chauffage de la mesure.

La chaleur de la cristallisation à froid, delta Hc, est la quantité d'énergie libérée à mesure que l'échantillon se refroidit et se recristallise. Delta Hc est calculé à l'aide de la zone sous le pic exothermique pendant la phase de refroidissement de la mesure. Donc, si nous chauffons l'échantillon au-delà de la fonte et puis refroidir de nouveau à la température ambiante, nous pouvons déterminer à la fois delta Hm et delta Hc. Ensuite, en utilisant cette relation, nous pouvons déterminer la cristallinité pour cent. Maintenant que vous avez vu comment identifier les changements de phase dans une parcelle DSC, nous allons jeter un oeil à la façon d'exécuter la mesure et d'analyser les résultats.

Pour commencer la mesure DSC allumer l'instrument et lui permettre de se réchauffer pendant environ une heure. Vérifiez que le réservoir d'azote comprimé et le réservoir d'azote liquide sont tous deux pleins et que la valve qui les relie sont ouvertes. Maintenant, préparez les deux casseroles. Choisissez une casserole chimiquement inerte et stable dans la plage de température désirée. Poke un petit trou dans les couvercles. Placez les couvercles sur chaque poêle, puis scellez-les à l'aide d'une presse à sertire. Ensuite, retirez les trois couvercles de four et placez les deux casseroles vides sur les capteurs circulaires à l'intérieur du four. Remplacez ensuite les couvercles du four. Lancez le logiciel DSC sur l'ordinateur et créez un nouveau fichier.

La fenêtre De définition de mesure s'ouvre avec des onglets pour définir les paramètres de mesure. Sélectionnez En-tête, puis Correction sous type de mesure. Cela permettra d'enregistrer la mesure de base comme un fichier de correction qui sera soustrait de la mesure de l'échantillon par le logiciel. Sous la section Exemple, étiquetez la mesure et la date de référence. Ensuite, sous l'étalonnage de la température, sélectionnez le fichier d'étalonnage de température le plus récent. Pour une mesure de cristallinité pour cent sous l'étalonnage de sensibilité, sélectionnez le fichier d'étalonnage de sensibilité le plus récent. Ensuite, sous l'onglet programme de température, cochez les cases Purge2 et Protective dans les conditions d'étape. Cela active le gaz de purge d'azote sur toutes les étapes de température.

Sélectionnez Initial dans la catégorie Étape et entrez 20 degrés Celsius comme température de départ. Sélectionnez ensuite Dynamique et entrée dans une température de fin. Il devrait être d'environ 30 degrés plus élevé que la température de fonte signalée de l'échantillon de polymère. Dans ce cas, nous utiliserons 260 degrés Celsius. Cliquez ensuite sur la flèche descendante sous l'icône d'azote liquide pour configurer l'étape de refroidissement. Sélectionnez auto pour allumer automatiquement l'azote liquide pour refroidir le four après la fin de l'étape de chauffage. Sélectionnez Finale dans la catégorie Étape et entrez 20 degrés comme température finale. Placez ensuite la température de réinitialisation d'urgence de 10 degrés supérieure à la température la plus élevée de votre programme qui coupe l'instrument en cas de dysfonctionnement de la machine et de surchauffe. Maintenant, avec tous les paramètres définis, vérifiez la température initiale que vous avez définie et la température actuelle du four. Pour commencer le programme, le four doit être à moins de cinq degrés de la température initiale. Cliquez sur Commencez à chauffer et le programme commencera automatiquement.

Une fois que l'analyse de base a exécuté, retirez le moule de base vide du four. Obtenir une nouvelle casserole et couvercle et percer un trou dans le couvercle. Peser la casserole et le couvercle vides. Ensuite, couper l'échantillon de polymère en petits morceaux qui s'adapteront dans la casserole. Pour s'assurer que même le flux de chaleur place une fine couche des morceaux d'échantillon dans la casserole de sorte que le fond entier de la casserole soit couvert. Ensuite, placez le couvercle sur la casserole et sertir fermé. Maintenant, pesez la casserole complète de l'échantillon et soustrayez le poids de la casserole vide pour déterminer le poids de l'échantillon.

Placez ensuite la casserole dans le four et fermez le couvercle. Dans le logiciel DSC, sélectionnez Fichier, puis Ouvrez. Cliquez sur OK lorsque le programme demande d'ouvrir l'analyse de base. Sur la fenêtre de définition de la mesure, sélectionnez Correction et échantillon sous le type de mesure. Ensuite, sous la section de l'échantillon, l'échantillon entre le nom et la masse de l'échantillon. Sélectionnez Avant et appuyez sur Démarrer lorsque vous êtes invité à commencer l'analyse. Une fois la mesure terminée, fermez le programme, éteignez le réservoir d'azote comprimé, puis éteignez l'instrument.

Les données DSC de l'échantillon de polymère polybutylène téphtalate est présenté comme une parcelle de flux de chaleur par rapport au temps. La trace rouge montre l'augmentation de la température à 260 degrés, puis le refroidissement vers le bas à la température ambiante. Ici, la courbe montre deux pics distincts. Le premier pic s'est produit pendant le chauffage et est un pic endothermique correspondant à la chaleur de la fonte. La chaleur de la fonte est calculée en utilisant la zone sous la courbe qui équivaut à environ moins 61 joules par gramme. Le deuxième pic est un pic exothermique qui s'est produit pendant l'étape de refroidissement et correspond à la chaleur de la cristallisation froide. La chaleur de la cristallisation est calculée en prenant la zone sous la courbe qui est d'environ 50 joules par gramme. Avec ces deux valeurs, avec la chaleur connue de la fonte pour un échantillon 100% cristallin de polybutylène téphtalate, nous pouvons calculer la cristallinité pour cent de l'échantillon qui est de 78,6%.

DSC peut être utilisé pour étudier les événements thermodynamiques dans d'autres échantillons et matériaux ainsi. Par exemple, DSC peut être utilisé pour analyser les transitions de phase dans les échantillons biologiques. Dans cette expérience, la transition progressive d'une suspension cellulaire a été analysée afin de comprendre ses propriétés de séchage par gel. Le séchage ou la lyophilisation est couramment utilisé pour le stockage à long terme des produits biologiques. Ici, des suspensions cellulaires ont été préparées et congelées dans différentes conditions dans l'instrument DSC. Les suspensions gelées ont ensuite été chauffées et la transition en verre mesurée. Plus tard, les cellules ont été analysées avec la microscopie électronique pour déterminer quelle condition de congélation a favorisé la survie de cellules. Une compréhension du processus de séchage par le biais des températures de transition par phase permet d'adapter le processus afin d'améliorer le stockage cellulaire.

Le changement d'enthalpie se produisant pendant une réaction chimique est une mesure de la quantité de chaleur absorbée dans le cas d'une réaction endothermic ou libérée dans le cas d'une réaction exothermique. Le changement d'enthalpie lors d'une réaction peut être mesuré à l'aide de DSC en effectuant la réaction chimique à l'intérieur de la casserole de l'échantillon et en mesurant le flux de chaleur. Dans cet exemple, l'enthalpie de décomposition du carbonate de calcium pour former l'oxyde de calcium ou la chaux vive a été mesurée par DSC. La décomposition du carbonate de calcium se produit endothermically comme démontré par le pic positif à 853 degrés Celsius. L'enthalpie de décomposition du carbonate de calcium est calculée à partir de la zone sous le pic et est d'environ 160 kilojoules par taupe.

Vous venez de regarder l'introduction de JoVE à l'étude des transitions de phase polymère à l'aide de la calorimétrie différentielle de balayage. Vous devez maintenant comprendre les différentes transitions de phase pour un polymère cristallin et amorphe, et comment identifier les événements, et calculer la cristallinité à l'aide de DSC. Merci d'avoir regardé.

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