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微分走査熱量測定

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微分走査熱量測定またはDSCは、材料、特にポリマーの熱特性を特徴付けるために使用される重要な測定技術です。DSC測定のセットアップは、それぞれ同一の温度センサーを備えた別々のサンプルパンとリファレンスパンで構成されています。対象のサンプルを含むサンプルパンの温度と、通常は空のままの参照パンは、独立して同一のヒーターを使用して個別に制御されます。両方の鍋の温度は直線的に増加します。両方の鍋を同じ温度で維持するために必要なエネルギー量または熱流量の差は、温度の関数として記録されます。たとえば、サンプルパンに位相変化や反応を起こしたときにエネルギーを吸収する材料が含まれている場合、サンプルパンの下のヒーターは、空のリファレンスパンの下のヒーターよりもパン温度を上げるためにより一生懸命働く必要があります。このビデオでは、DSC を使用してポリマー相転移を決定し、ポリマーの結晶性のパーセントを計算する方法を示します。

ポリマーの長鎖状構造のために、鎖は長距離秩序を示すことができ、結晶と呼ばれるか、またはランダムに組織化され、アモルファスと呼ばれる。結晶性ポリマーは、溶融を介して固体から液体への相転移を受ける。アモルファスポリマーは、ガラスと呼ばれる剛性状態から、ガラス転移を通じてゴム状の状態に移行します。これらのイベントは、DSC を使用して測定できます。しかし、ほとんどの結晶性ポリマーは、鎖の残りの部分が非晶質である部分的に結晶性に過ぎません。これらは半結晶性ポリマーと呼ばれています。これらの材料では、ポリマーの非晶質部分は、結晶性部品が溶融する間、加熱中にガラス転移を受ける。

これらのイベントは、熱流と温度の DSC 曲線で視覚化されます。発熱の変化は、熱を放つものを意味し、プロットのピークとして示されます。吸熱イベントの間、熱を吸収するものは谷として現れる。これらのピークおよび谷は、ポリマーの特定の相変化に特異的である。溶融熱であるデルタHmは、温度が上昇したときに結晶性ポリマー中で溶融を誘導するのに必要なエネルギー量である。測定の加熱段階で吸熱ピーク下の領域を取ることで溶融熱を計算することができます。

冷たい結晶化の熱であるデルタHcは、試料が冷却され再結晶するにつれて放出されるエネルギー量である。デルタHcは、測定の冷却段階における外熱ピーク下の面積を用いて計算される。したがって、サンプルを溶融後に加熱し、室温まで冷却すると、デルタHmとデルタHcの両方を決定できます。その後、この関係を用いて、結晶性のパーセントを決定することができます。DSC プロットの位相変化を特定する方法を見てきましたが、測定を実行して結果を分析する方法を見てみましょう。

DSC測定を開始するには、計測器をオンに切り替え、約1時間ウォームアップできるようにします。圧縮窒素タンクと液体窒素タンクの両方が満杯であり、それらを接続するバルブが開いていることを確認します。次に、2 つの鍋を準備します。化学的に不活性で、所望の温度範囲で安定した鍋を選択します。ふたに小さな穴をあける。各フライパンに蓋をし、圧着プレスで密封します。次に、3つの炉カバーを取り外し、2つの空の鍋を炉内の円形センサーに置きます。その後、炉カバーを交換してください。コンピュータで DSC ソフトウェアを起動し、新しいファイルを作成します。

[計測定義]ウィンドウが開き、測定パラメータを定義するタブが表示されます。[ヘッダー] を選択し、[測定の種類] で [修正] を選択します。これにより、ベースライン測定値が補正ファイルとして保存され、ソフトウェアによってサンプル測定値から差し引かれます。[サンプル] セクションで、ベースラインの測定値と日付にラベルを付けます。次に、温度キャリブレーションの下で、最新の温度キャリブレーションファイルを選択します。[感度キャリブレーション]で結晶度測定を行う場合は、最新の感度キャリブレーションファイルを選択します。次に、[温度プログラム] タブで、[ステップ条件] の下の [Purge2] ボックスと [保護] ボックスをオンにします。これにより、すべての温度ステップで窒素パージガスがオンになります。

[ステップ カテゴリ]で[初期]を選択し、開始温度として摂氏20度を入力します。次に、[ダイナミック]を選択し、終了温度で入力します。ポリマー試料の報告された融解温度より約30度高いはずです。この場合、摂氏260度を使用します。次に、液体窒素アイコンの下にあるドロップダウン矢印をクリックして、冷却ステップを設定します。加熱ステップが終了した後、炉を冷却するために自動的に液体窒素をオンにするには、自動を選択します。[ステップ カテゴリ]で[最終]を選択し、終了温度として 20 度入力します。次に、システムの故障や過熱時に機器を遮断するプログラムの最高温度よりも10度高い緊急リセット温度を設定します。すべてのパラメータを設定したら、定義した初期温度と現在の炉の温度を確認します。プログラムを開始するには、炉は初期温度の5度以内でなければなりません。[開始] をクリックして加熱を開始すると、プログラムが自動的に開始されます。

ベースライン スキャンを実行した後、空のベースライン パンを炉から取り外します。新しいフライパンと蓋を取得し、蓋に穴を開けます。空のサンプルパンと蓋を計量します。その後、パンに収まる小片にポリマーサンプルをカットします。熱流を確保するために、鍋の底部全体が覆われるように、鍋にサンプルピースの薄い層を配置します。その後、フライパンに蓋を置き、それを閉じて圧着します。次に、完全なサンプルパンを計量し、空のパンの重量を減算して、サンプルの重量を決定します。

その後、炉内に鍋を置き、カバーを閉じます。DSC ソフトウェアで、[ファイル]、[開く] の順に選択します。プログラムがベースライン スキャンを開くように求められたら、[OK] をクリックします。測定定義ウィンドウで、[計測タイプ]の下の[補正+サンプル]を選択します。次に、サンプルセクションの下にサンプル名と質量を入力します。[転送] を選択し、スキャンを開始するかどうかを確認するメッセージが表示されたら [開始] をクリックします。測定が終了したら、圧縮窒素タンクをオフにしてから、計器の電源を切ります。

ポリマー試料ポリブチレンテレフタレートのDSCデータは、熱流量対時間のプロットとして提示される。赤いトレースは、温度の260度への上昇を示し、次に冷却して室温まで下がります。ここでは、曲線は2つの異なるピークを示しています。第1のピークは加熱中に発生し、溶融熱に対応する吸熱ピークである。溶融熱は、1グラムあたり約マイナス61ジュールに相当する曲線の下の領域を使用して計算されます。第2のピークは、冷却工程中に発生した発熱ピークであり、冷たい結晶化の熱に相当する。結晶化熱は、1グラム当たり約50ジュールの曲線下の面積をとることによって計算される。これら2つの値を用いて、ポリブチレンテレフタレートの100%結晶試料の溶融熱とともに、78.6%の結晶率を算出することができる。

DSCは、他のサンプルや材料の熱力学的事象を研究するためにも使用できます。例えば、DSCを使用して、生体試料中の相転移を分析することができる。この実験では、細胞懸濁液の相転移を分析し、その凍結乾燥特性を理解した。凍結乾燥または凍結乾燥は、一般的に生物学的の長期保存に使用されます。ここで細胞懸濁液を調製し、DSC器具内で異なる条件下で凍結した。その後、凍結懸濁液を加熱し、ガラス転移を測定した。その後、細胞を電子顕微鏡で分析し、どの凍結状態が細胞生存を促進したかを判断した。相転移温度による凍結乾燥プロセスの理解は、細胞貯蔵を改善するためにプロセスを調整するのに役立ちます。

化学反応中に生じるエンタルピー変化は、吸熱反応の場合に吸収される熱量の尺度である。または発熱反応の場合に放出される。反応中のエンタルピー変化は、試料鍋内部の化学反応を行い、熱流量を測定することによりDSCを用いて測定することができる。この例では、酸化カルシウムまたはクイックライムを形成する炭酸カルシウムの分解のエンタルピーをDSCにより測定した。炭酸カルシウムの分解は、摂氏853度の正のピークによって示されるように、吸熱的に起こる。炭酸カルシウムの分解のエンタルピーは、ピーク下の領域から計算され、モルあたり約160キロジュールです。

あなたは、微分走査熱量測定を使用してポリマー相転移を研究するJoVEの導入を見たばかりです。結晶性ポリマーとアモルファスポリマーのさまざまな相転移と、事象を識別し、DSCを使用して結晶性を計算する方法を理解する必要があります。見てくれてありがとう。

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