시차주사 열량분석법

이름에서 알 수 있듯이, 차동 스캐닝 열량은 관심 있는 샘플과 알려진 열 특성을 가진 참조 샘플 사이의 열 흐름의 차동에 의존합니다. 사실, 열 계로 열을 정확하게 측정하는 것은 매우 어렵습니다. 시료가 열을 흡수하고 일반적으로 더 큰 용광로 내에서 측정이 발생하는 팬 내에 배치된다는 사실에 의해 측정이 더욱 복잡해지고 있습니다. 보다 정확한 측정에는 시료의 온도를 모니터링하고 온도 변화를 생성하기 위해 어떤 열 흐름이 있어야 하는지 계산하는 것이 포함됩니다.

따라서 DSC는 시료와 참조 모두의 온도의 동시 또는 순차적 측정을 포함한다. 팬 및 주변 환경에 대한 열 기여도 및 손실을 계산하는 동안 시료 안팎의 열을 정확하게 측정하려면 정확한 동일한 환경 및 열 조건에서 시료와 참조 를 모두 측정해야 합니다. 팬에 대한 준비도 참조와 샘플 간에 일치해야 합니다. 여기에는 팬을 밀봉하고 뚜껑에 구멍을 뚫고 용광로의 불활성 분위기와 균형을 허용하고 샘플에서 위상 변화가 발생할 때 팬의 가압을 피하는 것이 포함됩니다.

DSC 샘플 설정 및 열셀의 회로도는 도 1에 도시된다. 각 검사에 대해 DSC에는 빈 참조 팬과 샘플 팬이 포함되어 있습니다. DSC는 기준 팬과 샘플 팬을 설정된 온도에서 유지하는 데 필요한 전력의 차이를 읽습니다(사용자가 측정하기 전에 정의). 샘플 팬은 샘플이 열을 흡수 할 때 가열하기 위해 더 많은 전력을 필요로하고 (엔더믹 반응에서) 샘플이 열을 제공 할 때 냉각하기 위해 더 많은 전력 (외동 반응에서).

그림 1: DSC 샘플 설정 및 열 세포 회로도.

빈 팬은 모든 DSC 측정에 대한 참조 위치에 배치됩니다. 모든 열 특성화 기술의 경우, 기준선 측정은 샘플 위치에서 용광로 내부의 빈 팬으로 먼저 수행됩니다. 이 측정은 대기 변화를 고려하며 다음 샘플 측정에서 자동으로 뺍니다. 결정성 측정의 경우, 정확하게 측정된 양의 샘플 재료가 별도의 팬(용광로의 샘플 위치에 배치)에 배치되고 기준기와 동일한 측정 프로그램을 사용하여 실행합니다. 백분율 결정성은 샘플 측정에서 얻은 값을 사용하여 계산됩니다. 사용되는 방정식은 다음과 입니다.

% 결정 = (방정식 1)

일반적인 DSC 결과 곡선은 도 2에 표시됩니다. 용융(ΔHm)의 열은 엔더믹 피크(측정의 가열 단계에서 존재) 및 냉결정화(ΔHc)의 열을 복용하여 습성 피크(ΔHc)의 영역을 취함으로써 얻어진다(측정의 냉각 단계 동안 현재); 함께 제공되는 소프트웨어는 샘플 측정에서 이러한 값을 계산하는 데 사용됩니다. 시료(ΔHm°)의 100% 결정형태의 용융의 알려진 열은 중합체 백분율 결정성을 계산하는 것으로 알려야 하는 물질 특성이다.

그림 2: DSC 결과 곡선의 회로도. 외열체 및 벤더믹 피크는 레이블이 지정되어 있습니다.

열 용량 측정을 수행할 때, 한 단계추가 추가됩니다: 시료 측정을 실행하기 전에, 기준선과 동일한 측정은 표준 재료의 정확하게 측정된 양으로 수행된다. 표준 재료는 사파이어와 같은 특성이 높은 열 용량을 가진 화합물이어야 합니다. 그런 다음 샘플 재료는 기준및 표준과 동일한 측정 프로그램을 사용하여 실행됩니다. 샘플의 열 용량 및 열 흐름은 함께 제공되는 소프트웨어에서 사용자가 계산합니다. 기준선 측정은 차감되고 표준 재료의 열 용량은 온도에서 열 흐름으로 이동하도록 사용됩니다.

도 3은 폴리부틸렌 테레프탈레이트(PBT) 폴리머 샘플에서 DSC 퍼센트 결정성 샘플 스캔의 결과를 나타낸다. 결과는 DSC 전력 판독값(샘플 밀리그램당 밀리와트)으로 표시됩니다. 도 3의파란색 추적인 전원 판독값은 빈 참조 팬과 비교하여 샘플 팬의 온도를 변경하는 데 필요한 추가 전력의 양을 나타냅니다. 온도 프로그램은 도 3에서대시 된 빨간색 선으로도 표시됩니다. 파란색 흔적의 첫 번째 피크는 엔더믹 피크입니다. 그 영역은 폴리머 샘플의 용융열에 대한 값을 제공합니다. 두 번째 피크는 그 영역이 폴리머 샘플의 결정화의 열에 대한 값을 제공하는 exothermic 피크입니다.

도 4는 PBT스캔(그림 3)에서외열성 및 외형 피크의 확대뷰를 나타낸다. 각 피크의 영역이 표시됩니다(Proteus Analysis 소프트웨어를 사용하여 계산됨). 이러한 계산된 값에서, 이 PBT 폴리머 샘플의 백분율 결정성은 방정식 1과 ΔHm°에 대한 142 J/g의 보고된 값을 사용하여 계산됩니다.

% 결정 = = 78.6% 결정 

도 3: DSC 판독 대 폴리부틸렌 테레프탈레이트 폴리머 시료에 대한 시간, DSC 3500을 사용하여 실행한다. 사용되는 온도 프로그램은 빨간색 파선 곡선으로도 표시됩니다. 

도 4: PBT 폴리머 DSC 스캔의 외열성 피크(A)와 외신 피크(B)의 확대보기가 계산됩니다.

차등 스캐닝 열량은 용융열, 결정화열, 열용량 및 위상 변화와 같은 물질의 많은 열 특성을 결정하는 데 사용되는 기술입니다. DSC 측정은 유리 전이 온도 및 폴리머 퍼센트 결정성을 포함한 추가 재료 특성을 계산하는 데도 사용될 수 있습니다. DSC는 기계에 사용되는 프라이팬의 크기와 모양을 준수해야 하며 빈 참조와 샘플 간의 차동 열 비교를 기반으로 하는 매우 작은 샘플을 필요로 합니다. 폴리머 퍼센트 결정성 계산은 시험중인 폴리머의 100% 결정 형태의 용융열이 알려져 있는 경우 비교적 간단하다. 백분율 결정성을 결정할 수 있는 다른 특성화 방법에는 밀도 측정이 포함되며, 이는 또한 100% 결정성 및 100% 비정질 버전의 폴리머, 및 실리콘과 같은 표준 재료와 철저하게 혼합될 수 있는 시료를 필요로 하는 X선 회절을 필요로 한다.

백분율 결정성은 매일 사용되는 폴리머 물질의 많은 특성에 크게 기여하는 중요한 매개 변수입니다. 백분율 결정성은 얼마나 부서지기 쉬운 (높은 결정성) 또는 얼마나 부드럽고 연성 (낮은 결정성) 폴리머에 있는 역할을 합니다. 폴리에틸렌은 가장 널리 사용되는 폴리머 재료 중 하나이며 재료 특성에 대한 결정성의 중요성의 좋은 예입니다. HDPE(고밀도 폴리에틸렌)는 결정적인 형태이므로 쓰레기통과 도마에 사용되는 더 어렵고 부서지기 쉬운 플라스틱이지만 LDPE(저밀도 폴리에틸렌)는 결정성이 낮고 따라서 일회용 비닐 쇼핑백에 사용되는 연성 플라스틱입니다. 폴리머 결정성은 투명성과 색상에도 영향을 줄 수 있습니다. 결정성이 높은 폴리머는 색을 더 어렵게 하며 종종 더 불투명합니다. 백분율 결정성은 직물에 사용되는 폴리머에서 방탄 조끼에 사용되는 플라스틱에 이르기까지 매일 서로 다른 플라스틱과 동일한 플라스틱을 만들고 사용하는 방법에 큰 역할을 합니다. 이러한 특성에 영향을 미칠 수 있고 백분율 결정값에 기여할 수 있는 다른 중합체 특성에는 이전 열 처리 및 교차 연결 정도가 포함됩니다.