آنالیز DSC (گرماسنجی روبشی تفاضلی)

روش های آنالیز مواد به روش هایی گفته می شود که با استفاده از آن ها ریزساختار و خواص ماده مورد مطالعه قرار می گیرد. در واقع تعیین خواص فیزیکی و شیمایی مواد با مشاهده آنالیز آن‌ها امکان پذیر است. در میان روش های آنالیز، آنالیز حرارتی مواد به عنوان روشی کمکی در شناسایی آنالیز فازی مواد مورد استفاده قرار می گیرند.

یکی از روش های آنالیز حرارتی که در این مقاله قصد داریم به بررسی آن بپردازیم، آنالیز DSC (گرماسنجی روبشی تفاضلی) است. این روش، یک روش تجزیه حرارتی است که در آن تغییرات ظرفیت حرارتی ماده به عنوان تابعی از دما، به طور پیوسته اندازه گیری می شود.

موضوعاتی که در این مقاله قصد داریم به بررسی آن‌ها بپردازیم، پیرامون مسائل زیر است:

• روش گرماسنجی تفاضلی روبشی (DSC) چیست؟
• تست DSC به چه صورتی اجرا می شود؟
• انتخاب نمونه برای تست DSC به چه صورتی انجام می شود؟
• کاربردهای آنالیز DSC چیست؟

گرماسنجی روبشی تفاضلی (DSC) چیست؟

آنالیز DSC روش تجزیه حرارتی است که چگونگی تغییر ظرفیت حرارتی در فشار ثابت را با دما پایش می کند. یک نمونه با جرم مشخص گرم یا سرد شده و تغییرات ظرفیت حرارتی آن با تغییرات در جریان حرارتی دنبال می شود. این موضوع اجازه به بررسی و ردیابی تحولاتی مثل ذوب، دمای انتقال حرارتی، تغییرات فازی و پخت را می­ دهد. گرماسنج روبشی تفاضلی ابزاری اساسی و مهم در تجزیه حرارتی است. اطلاعاتی که این ابزارها تولید می کنند برای درک رفتار بلوری و آمورف، انتقالات و حالات گذار چند شکلی و یوتکتیک، پخت و درجه آن و بسیاری خواص مواد دیگر که برای طراحی، ساخت و آزمون محصولات به کار می روند، کاربرد دارد.

اصول اجرای آنالیز DSC

در روش گرماسنجی روبشی تفاضلی، نمونه مجهول و شاهد در دمایی یکسان نگهداری شده و تفاوت انرژی لازم برای ثابت نگهداشتن دما، بر حسب تغییرات دمایی رسم می گردد. به عبارت دیگر نمونه مجهول و شاهد، مقادیر گوناگونی انرژی دریافت می­ کنند تا دماهایشان همیشه یکسان بماند. طبیعی است که این روش، از روش آنالیز حرارتی تفاضلی یا آنالیز DTA متفاوت است. همان‌طور که در شکل زیر نشان داده شده، در زیر نمونه شاهد و مجهول، گرمکن‌های الکتریکی جداگانه برای گرمایش آن‌ها وجود دارد. همچنین دو ترموکوپل، دمای نمونه را مشخص می‌کند. یک واحد الکتریکی به صورت مدار کنترل‌کننده گرماسنجی تفاضلی، پس از دریافت سیگنال‌های دمایی مربوط به هر دو نمونه، مقدار انرژی لازم برای یکسان کردن دمای آن‌ها را تعیین و اجرا می ‌کند و بنابراین تفاوت انرژی داده شده به نمونه مجهول و شاهد بر حسب دما توسط قسمت ثبت‌کننده رسم می ‌شود.

اجزای دستگاه آنالیز حرارتی تفاضلی روبشی (DSC)

گرماسنجی روبشی تفاضلی یا آنالیز DSC ، عملکردی شبیه آنالیز حرارتی تفاضلی یا DTA دارد و اطلاعات حاصل از آن در ردیف اطلاعات آنالیز حرارتی تفاضلی است. گرماسنجی روبشی تفاضلی اغلب برای اندازه‌گیری کمی تغییرات انرژی به کار می‌رود. در این روش، انرژی داده شده به نمونه و شاهد در شرایطی که دما با سرعت ثابتی تغییر می‌کند، اندازه‌گیری می ‌گردد.

اجزای کوره گرماسنجی روبشی تفاضلی (DSC)

هنگامی که گرمکن به صورت یک فیلم نازک در زیر نمونه و شاهد قرار بگیرد، انرژی گرمایی موردنیاز برای انجام تغییرات به‌خوبی محاسبه خواهد شد و همچنین کنترل لازم برای به صفر رساندن اختلاف دمای نمونه و مرجع در هر زمان انجام می‌گیرد. در ضمن توان الکتریکی مورد نیاز برای این جبران ثبت می‌شود. در واقع به جای اختلاف دمای بین نمونه و مرجع (همان­ طور که در آنالیز حرارتی تفاضلی اتفاق می­‌افتد) آنالیز DSC انرژی لازم برای یکسان نگه‌داشتن این دو دما را اندازه‌گیری می‌کنند.

انتخاب نمونه برای آنالیز DSC

انتخاب نمونه برای آنالیز DSC

مقدار زیاد نمونه امکان حس کردن اثرات حرارتی کم و اندازه‌گیری کمّی ‌دقیق را فراهم می‌‏آورد. در حالی که مقدار کم نمونه جهت افزایش وضوح پیک‏‌ها، منظم بودن شکل پیک‏‌ها، تماس حرارتی خوب نمونه با ظرف، حذف آسان گازهای حاصل از تجزیه، حداقل شدن گرادیان دما در نمونه، امکان استفاده از سرعت حرارت دهی بالا و به دست آوردن نتایج کیفی بسیار خوب مناسب است.
انتخاب مقدار نمونه در آنالیز DSC به نتیجه موردنظر بستگی دارد. مثلاً برای بررسی رفتارهای حرارتی که اثرات کمی بر روی ترموگرام به جا می‏گذارند، نیاز به مقدار نمونه بیشتری است و برای بررسی اثرات حرارتی مثل ذوب و تبخیر، مقدار ماده کمتری مورد نیاز است.

روش تاگوچی

روش تاگوچی برای تشخیص و شناسایی عوامل بهینه برای گرمای ذوب و دمای پیک با اندازه گیری های به نسبت کم استفاده می‌­شود. این روش، تاثیر تمام عوامل را روی یک فرآیند محاسبه می کند. در این مورد این عوامل از تمام عوامل ممکن که می تواند اندازه گیری را تحت تاثیر قرار دهد تشکیل شده است که به ۲ گروه تقسیم می شوند:

• عوامل کنترلی؛ یعنی آن هایی که می توانند تحت کنترل کامل قرار گیرند؛ مانند نرخ حرارت دهی و غیره.
• عوامل اختلالی؛ مانند آن هایی که تاثیرات ناخواسته مثل انتقال حرارت غیر تجدیدپذیر بین ظرف آزمون و نمونه و یا تغییرات در دمای محیط دارند.

آنالیز DSC فشار بالا

HPDSCچندین کاربرد دارد. انجام راحت و سریع آزمون پایداری مواد در برابر اکسیداسیون در فشارهای اتمسفری و انجام واکنش های دارای یک محصول جانبی و جلوگیری از ایجاد حباب در نمونه که فشار بالا این مورد را سرکوب می کند. همین طور سینتیک برخی واکنش ها توسط فشار تحت تاثیر قرار می گیرد و ایجاد واکنش تحت فشار کنترل شده برای بررسی این تاثیر لازم است. نهایتاً تحولاتی مثل T_g و نقطه جوش، نسبت به فشار واکنش نشان می دهند (یعنی تغییر می­ کنند). عملکرد DSC تحت فشار این اجازه را می دهد که این فرآیندها را مطالعه و نقاط جوش، فشار بخار نمونه را نیز محاسبه کرد.

آنالیز  DSC  نوری یا DSC  فرابنفش

آنالیز UV-DSC،  برای قرارگیری نمونه در معرض تابش نور فرابنفش در حین آزمون، تجهیز شده است. همچنین این آنالیز اجازه می دهد تا مطالعه سیستم های درمانی و بهبود دهنده مبتنی بر تابش نور فرا بنفش در آنالیز DSC انجام شود. علاوه بر آن، UV-DSC  برای مطالعه تجزیه مواد تحت تابش نور فرابنفش نیز به کار می­رود. علاوه بر این، در UV-DSC  می توان سینتیک را برای مدل سازی تخریب با استفاده از نور فرابنفش به کار برد. به‌دلیل وجود شدت های بالا از نور فرابنفش، انجام آزمون‌های تسریع یافته نیز ممکن است.

کاربردهای گرماسنجی روبشی تفاضلی

این روش کاربردهای زیادی دارد که مهم ترین آن ها به شرح زیر هستند:

• اندازه گیری ظرفیت گرمایی ویژه و بررسی نقطه ذوب و رفتار ذوب
• بررسی دمای بلورینگی و رفتار تبلور و رفتار آمورف شدن
• بررسی تبلور سرد و اندازه گیری دمای تخریب
• بررسی و اندازه گیری آنتالپی تحول
• بررسی پایداری، تجزیه حرارتی، پیرولیز مواد
• تحقیق درخصوص سینتیک واکنش ها
• مطالعه اکسیداسیون و پایداری در برابر اکسیداسیون

در ادامه دو مورد از کاربردهای مهم آنالیز DSC را به تفصیل شرح می دهیم:

سنجش فرایند ذوب توسط آنالیز  DSC

با استفاده از آنالیز DSC ، دمای ذوب را می­ توان بسیار دقیق اندازه گیری کرد. وقتی نقطه ذوب با دستگاه  DSC ، اندازه‌گیری می‌شود، دستگاه تنها نقطه ابتدایی و شروع ذوب را به ما نمی­دهد بلکه علاوه بر آن دمای پیک را که برای مواد آلی، معادل ذوب کامل است و همچنین انرژی ای که تحول ذوب نیاز دارد را ارائه می کند. همان طور که می دانیم این انرژی، همان آنتالپی تحول و تغییر حالت است و با درجه تبلور و میزان بلوری بودن مواد مرتبط است. استانداردهای ICTAC می گویند که شما باید نقطه شروع پیک ذوب را به عنوان نقطه ذوب برای فلزات، مواد آلی و مواد مشابه و اما مقدار پیک را برای پلیمرها در نظر گرفته و به کار برد. اضافه بر آن می توان با استفاده از آنتالپی ذوب هر دو درجه بلوری بودن و خلوص مواد را تخمین زد.

شناسایی پلیمرها با استفاده از آنالیز DSC

آنالیز DSC روشی بهینه است که جریان گرمایی از نمونه را به عنوان تابعی از درجه حرارت و یا زمان اندازه گیری می­‌کند. این روش اجازه می دهد تا تحولات فیزیکی و واکنش های شیمیایی به صورت کمی اندازه گیری شوند. در دستگاه آنالیز  DSC، دو جایگاه وجود دارد. یکی برای قرار دادن نمونه آزمون و دیگری برای نمونه شاهد که معمولا هوا است. به هر دو جایگاه مقداری انرژی گسیل می شود تا هر دو در دمایی ثابت باقی بمانند. بنابراین، اگر در نمونه مورد نظر پدیده ای گرمازا (کریستالیزاسیون) یا گرماگیر (ذوب و یا دمای انتقال شیشه ای) اتفاق بیفتد، برای یکسان کردن دمای نمونه با شاهد، مقداری انرژی به نمونه داده شده یا گرفته می شود. بدین صورت می توان مقدار انرژی واکنش گرماگیر یا گرمازا را برحسب تابعی از دما رسم کرد. نمودار زیر برای یک نمونه پلیمری از آنالیز DSC استخراج شده است. دمای شیشه ای شدن و دمای ذوب به خوبی در این نمودار مشخص شده اند.

شناسایی پلیمرها با استفاده از آنالیز DSC

جمع بندی

آنالیز گرماسنجی روبشی تفاضلی یا DSC روشی قدرتمند برای شناسایی ساختار فیزیکی و شیمیایی و آنالیز حرارتی مواد به حساب می آید. گرماسنجی روبشی تفاضلی برای اندازه‌گیری کمی‌ تغییر انرژی است. از این روش‌ می توان برای اندازه‌گیری دمای ذوب، گرمای نهان ذوب، بررسی دمای انتقال شیشه‌ای و دمای تبلور استفاده کرد.

جهت آشنایی بیشتر با سایر روش های آنالیز حرارتی مواد، پیشنهاد می کنیم که پست های زیر را نیز مطالعه کنید:

• آشنایی با آنالیز دیلاتومتری (DL)
• آنالیز حرارتی افتراقی (DTA)
• معرفی آنالیز TGA و DTG (توزین حرارتی و مشتق توزین حرارتی)
• آنالیز حرارتی همزمان (STA)
• آنالیز حرارتی و کاربردهای آن

منابع

ف.گلستانی فرد، م.ع.بهره ور، ا.صلاحی (۱۳۹۶). «روش های شناسایی و آنالیز مواد»، چاپ هفتم، انتشارات دانشگاه علم و صنعت ایران