تفاوت آنالیز گرماسنجی روبشی افتراقی (DSC) با آنالیز حرارتی افتراقی (DTA)

روش آماده سازی نمونه در آنالیزهای حرارتی DTA و DSC

نمونه‌های مناسب برای تست DSC و تست DTA باید به صورت پودری فشرده یا حلقه‌های کوچک باشد. نمونه‌ها اگر بزرگتر از جای نمونه‌ی دستگاه باشند، آن‌ها را به صورت حلقه برش می‌دهند. زمان برش نمونه‌ها نباید نیروی زیادی به نمونه‌ها اعمال شود، زیرا نیروی زیاد ممکن است باعث تغییرشکل مومسان نمونه‌ها بشود و شکل منحنی‌های آنالیزهای DTA و DSC را تغییر دهد. نمونه ها باید دارای حداقل وزن ۳۰ میلی گرم و به صورت همگن باشند. نمونه های توده ای سفت نباید بعدی بزرگتر از ۲ میلی متر داشته و وزن آنها نباید از ۱۰ میلی گرم بیشتر باشد. این آنالیزها می توانند در اتمسفرهای مختلف بسته به نوع آزمایش انجام شوند.

بهتر است نمونه‌ها سبک باشند؛ به عبارت دیگر جرم کمی داشته باشند زیرا نمونه‌های سبک‌تر سریعتر می‌توانند به تعادل گرمایی در حجم‌شان برسند. نمونه‌های سنگین، شیب حرارتی نامطلوب دارند که بر دقت منحنی آن تأثیر می‌گذارد.

آنالیز DTA معمولاً در محدوده‌ی دمای بالا عمل می‌کند. بوته‌های نگهدارنده‌ی مورد استفاده در این روش معمولاً از جنس پلاتین و طلا هستند. محل قرارگیری نمونه باید درزگیری شود تا از تغییر جرم نمونه به علت تبخیر جلوگیری شود.

آنالیز DSC معمولا در محدوده دمایی پایین‌تری نسبت به DTA انجام می‌شود؛ بنابراین از محفظه‌های آلومینیومی به عنوان نگهدارنده نمونه و مرجع استفاده می‌شود. برای اینکه درزگیری انجام شود، درپوش محفظه را با پرس به محفظه آلومینیومی جوش می‌دهند.

کاربرد آنالیزهای حرارتی DTA و DSC

از نظر اصول کاری و همچنین اطلاعات مشخصه‌یابی که نتایج هر یک از آنالیزهای حرارتی DTA و DSC برای یک ماده ارائه می‌دهند، همپوشانی بسیار زیادی وجود دارد. بنابراین برای تعیین مشخصات حرارتی یک ماده، معمولا تفاوتی محسوسی ایجاد نمی‌شود که آنالیز DTA انجام شود یا آنالیز DSC انجام شود.

از آنالیزهای حرارتی DTA و DSC برای مشخصه‌یابی خواص حرارتی انواع مواد به خصوص پلیمرها استفاده می‌شود. به طور کلی به کمک نتایج آنالیزهای حرارتی DTA و DSC می‌توان موارد زیر را مشخص کرد:

• اندازه‌گیری تغییر آنتالپی (گرمای جذب شده یا آزاد شده در هر واکنش)
• تعیین دمای استحاله
• تعیین ظرفیت گرمایی
• اطلاعات سینتیکی یک واکنش شیمیایی

که درمورد آنالیز DCS موارد زیر هم قابل مشخصه‌یابی است:

• وضعیت پخت پلیمرهای گرماسخت (یا اصطلاحا ترموست)
• ثبات حرارتی پلیمرها

نحوه تفسیر داده‌های آنالیزهای حرارتی DTA و DSC

برای اینکه بتوان اطلاعات زیادی از نتایج آنالیزهای حرارتی DTA و DSC بدست آورد، باید جداگانه محاسباتی را با داده‌ها انجام داد و در برخی موارد باید در شرایط مختلف مانند تغییر غلظت و … داده‌هایی را در مورد همان ماده ثبت کرد.

برای یافتن توابع ترمودینامیکی و سینتیکی فازها با استفاده از آنالیزهای حرارتی DTA و DSC باید انرژی درونی و دما را با سرعت‌های گرمایی مختلف اندازه‌گیری کرد. اطلاعات سینتیکی ممکن است از آنالیزهای حرارتی DTA و DSC قابل استخراج باشد، به این صورت که غلظت یک واکنش را تغییر دهند و داده‌های ثبت شده را با چند مدل سینتیکی بررسی کنند.

ظرفیت گرمایی در فشار ثابت (C_P)، با معادله زیر قابل محاسبه است:

تغییر آنتالپی یا گرمای جذب/آزاد شده در طی یک فرایند تبدیل فاز در فشار ثابت برابر با گرمای نهان (H) آن فرایند است. با استفاده از سرعت گرمایش، می‌توان یک نمودار DCS (یا ترموگرام DSC) که در آن جریان گرما (dQ/dt) برحسب دما است، به یک ترموگرام DSC تبدیل کرد که در آن جریان گرما (dQ/dt) برحسب زمان باشد. بنابراین تغییر آنتالپی در یک واکنش برابر با ناحیه زیر منحنی ترموگرام DSC (جریان گرما برحسب زمان) است؛ و به صورت زیر قابل محاسبه است:

تفاوت دستگاه‌های آنالیز حرارتی DTA و DSC

همانطور که پیش‌ تر اشاره شد، اگرچه داده‌های مشخصه‌ یابی آنالیزهای حرارتی DTA و DSC مشابه است، اما به لحاظ دستگاهی متفاوتند. در دستگاه DTA تفاوت زمانی بین نمونه و مرجع با استفاده از یک برنامه گرمایی زمان بندی شده کوره‌های متقارن انجام می‌شود. در این حالت، ماده‌ای که به عنوان مرجع مورد استفاده قرار می‌گیرد، باید هیچ گونه تبدیل فازی نداشته باشد. در DTA تفاوت دمای بین نمونه و مرجع به کمک یک ترموکوپل دیفرانسیلی اندازه‌گیری می‌شود.

دستگاه‌های DSC دو نوع مختلف هستند؛ دستگاه DSC مبتنی بر اندازه‌گیری توان الکتریکی (power compensated DSC) و دستگاه DSC مبتنی بر اندازه‌گیری شار حرارتی (heat flux DSC).

دستگاه DCS مبتنی بر اندازه‌گیری توان الکتریکی، برای نمونه و مرجع دو محفظه دارد و برای هر محفظه، المنت‌ های گرمایی ویژه‌ای تعبیه شده است؛ بنابراین برخلاف دستگاه DTA، اندازه‌گیری دمای هر محفظه به صورت جداگانه انجام می‌شود. در این دستگاه تا زمانی که در نمونه تغییر فاز رخ ندهد، سرعت گرم شدن نمونه و مرجع یکسان است. در نتیجه دمای نمونه نسبت به دمای مرجع کاهش می‌یابد. دستگاه همزمان این اطلاعات را ثبت می‌کند. در این حالت یکی از محفظه‌ها با کاهش دما رو به رو است در حالی که دمای محفظه دیگر در حال افزایش است. این کاهش تا جایی ادامه پیدا می‌کند که اختلاف بین دمای مرجع و نمونه ثابت شود که اصطلاحا تعادل صفر (null balance) نامیده می‌شود. برای بقای تعادل صفر، مقدار گرمایی که در واحد زمان توسط المنت‌های الکتریکی ایجاد می‌شود، باید با مقدار گرمایی مورد نیاز نمونه در هر واحد زمان باشد.

دستگاه DCS مبتنی بر اندازه‌گیری شار حرارتی، اصولی مشابه با DTA دارد و فقط از یک محفظه برای نگهداری نمونه استفاده می‌شود. اطلاعات گرمایی مواد استاندارد به عنوان مرجع در یک نرم‌افزار کامپیوتری ذخیره شده است. دمای نمونه توسط ترموکوپل اندازه‌گیری می‌شود و با داده‌های مرجع موجود در نرم‌افزار کامپیوتری مقایسه می‌شود.

شکل 1: تفاوت های اصول آنالیزهای DSC و DTA