Подготовка образцов для измерений методом ДСК

Стр 1 из 2Следующая ⇒

КАЗАНСКИЙ федеральный УНИВЕРСИТЕТ

_____________________________________________________________

Кафедра неорганической химии

Изучение основ дифференциальной сканирующей калориметрии (ДСК)

Методические указания к лабораторной работе № 1

по дисциплине «Методы исследования материалов и композитов»

Казань-2018

Цель работы:изучение метода дифференциальной сканирующей калориметрии.

Задачи:

– Изучение принципов метода дифференциальной сканирующей калориметрии.

– Приобретение практических навыков работы на приборе.

– Изучение процесса калибровки

ТЕОРЕТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ

Методы термического анализа

Термическими методами называется группа методов физико-химического анализа, в которых измеряется какой-либо физический параметр системы в зависимости от температуры (по какой-либо температурной программе). Температурная программа может включать нагревание, охлаждение с постоянной скоростью, выдерживание при постоянной температуре (изотерма) и комбинацию этих режимов. Объектами термического анализа являются как чистые вещества, так и системы различных веществ - металлов, органических и неорганических соединений и материалов и т.д. В таблице 1 представлены характеристики методов термического анализа.

Таблица 1. Характеристика термических методов анализа

Вид анализа	Физический параметр, изменяющийся в зависимости от температуры	Используемый прибор
Термомеханический анализ (ТМА)	Деформация под нагрузкой	Термомеханический анализатор
Дифференциальный термический анализ (ДТА)	Разность температур между образцом и эталоном	Аппараты для ДТА (дериватограф)
Термогравиметрия (ТГ)	Масса	Термовесы
Дифференциальная сканирующая калориметрия	Теплота, подводимая к образцу	Дифференциальный сканирующий калориметр
Дилатометрический анализ	Линейные размеры образцов	Дилатометр

Основные принципы метода дифференциальной сканирующей калориметрии

Дифференциальная сканирующая калориметрия – это метод, в котором регистрируется энергия, необходимая для установления нулевой разности температур между исследуемым образцом и стандартом во времени или в зависимости от температуры при нагревании или охлаждении их в идентичных условиях с определенной скоростью.

Рис.1. Схема измерений методом ДСК: F-печь (нагреватель), S – образец, R – эталон, Т_F, Т_mS, Т_mR – температуры печи и спаев дифференциальной термопары образца и эталона, Ф_FS, Ф_FR – тепловые потоки

Измерительная камера ДСК состоит из двух ячеек (рис. 1). В одной (S) находится исследуемый образец, в другую, называемую ячейкой сравнения (R), помещают эталон. Измерительную камеру конструируют максимально симметрично (одинаковые ячейки, одинаковые сенсоры, одинаковое расстояние от нагревателя печи (F) до ячеек - ∆ l и т.д.).

В методе ДСК между тиглем и термопарой находится теплопроводящая колонка, которая позволяет измерять усредненную температуру со всей площади тигля. Экспериментально измеряется временная зависимость разницы температур между ячейкой с образцом и ячейкой сравнения. Теплота в методе ДСК определяется через тепловой поток, производную теплоты по времени (отсюда термин "дифференциальный"). Тепловой поток измеряется как разница температуры печи и спаев дифференциальной термопары образца и эталона: Ф_FS , Ф_FR - тепловые потоки температур в двух точках измерительной системы в один момент времени.

Измерения можно проводить как в изотермических условиях, так и в динамическом режиме при программируемом изменении температуры печи (калориметры такого типа называют " сканирующими ").

Большинство физико-химических процессов сопровождается изменением энтальпии системы, т. е. тепловыми эффектами поглощения (эндотермические процессы) или выделения (экзотермические процессы) теплоты. Эндотермические эффекты регистрируются при протекании следующих физико-химических процессов: дегидратации, разложении химических соединений на более простые твердые продукты, плавлении. Экзотермические эффекты соответствуют следующим физико-химическим процессам: окисления, кристаллизации, отверждения.

Метод ДСК позволяет фиксировать так называемые кривые нагревания (или охлаждения) исследуемого образца, т.е. изменение температуры последнего во времени. В случае какого-либо фазового превращения первого рода в веществе (или смеси веществ) происходит выделение или поглощение теплоты и на кривой (термограмме) появляются площадка или изломы. Данные ДСК выражаются в виде зависимости от времени или температуры при постоянной скорости нагревания (рис. 2).

Рис.2. Экзотермический и эндотермический пики на кривой ДСК

Приборы для ДСК позволяют проводить анализ твердых и жидких веществ. Твердые образцы исследуют в виде пленок, порошков, кристаллов или гранул. Образец загружают в алюминиевый тигель, который должен быть закрыт плотно, но не совершенно герметично.

Обычно масса навески колеблется в интервале от 0,5 до 10мг. При маленьких навесках возможны повышение скорости сканирования, лучшее разрешение и соответственно хорошие качественные результаты, форма пиков при этом является более правильной, улучшается также контакт образца с газовой атмосферой и отвод продуктов разложения. Работать с маленькими навесками рекомендуется также в тех случаях, когда энергия переходов очень велика. Анализ с большими навесками позволяет обнаруживать слабые переходы, проводить более точно количественные измерения; выделение больших количеств летучих продуктов обеспечивает возможность последующего их определения.

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ

Приборы и реактивы:Дифференциальный сканирующий калориметр теплового потока с системой охлаждения Intracooler, аналитические весы, вещества из таблицы приложения.

Рис.3. Внешний вид калориметра DSC 214 Polyma (NETZSCH) с системой охлаждения Intracooler

Подготовка образцов для измерений методом ДСК

К исследованиям допускаются любые твердые и жидкие вещества не агрессивные к материалу тигля.

Для измерения необходимы два тигля с крышками в один из тиглей будет помещен исследуемый образец, другой тигель (пустой) будет использоваться как эталонный тигель. Материал тигля определяется максимальной температурой нагрева образца и исследуемым веществом, которое не должно реагировать с тиглем. Наиболее часто используемыми материалами тиглей являются алюминий (до 600°С), золото (до 900°С), платина (до 1000°С) и корунд (до 1600°С и выше).

В крышке каждого тигля обычно проделывают небольшое отверстие (рис. 4). Такое отверстие помогает избежать деформации и разрыва тигля в результате повышения внутреннего давления за счет термического испарения воды и (или) других летучих веществ в процессе нагрева. Отверстие не делается в особых случаях: - ядовитые вещества; - вещества, у которых гарантированно отсутствует испарение или деструкция при задаваемых в процессе исследования температурных режимах.


Рис. 4. Алюминиевый тигель с крышкой	Рис . 5. Измерительная камера ДСК

Пустой тигель для образца (с крышкой) взвешивают на весах с точностью не менее 0.1 мг и тарируют весы. После этого в тигель помещается исследуемый образец и взвешивается тигель с образцом. Часто образец должен быть подготовлен особым образом, основной критерий - следует обеспечить максимально возможную область контакта между исследуемым образцом и дном тигля; чем больше область контакта, тем сильнее и точнее сигнал, фиксируемый калориметром. Тигель с образцом закрывается крышкой. При необходимости следует запрессовать тигель. Последняя операция является обязательной для: - ранее не исследовавшихся неизвестных материалов; - жидкостей; - ядовитых веществ; - материалов с бурным испарением или разложением при исследовании в соответствующей эффекту области температур. Во избежание загрязнения тиглей и образцов не следует брать их руками без защитных перчаток, либо следует пользоваться пинцетом. Не следует ставить тигли на грязные поверхности, это приводит к загрязнению измерительной ячейки.

Подготовленные к измерениям тигель - эталон (пустой тигель) и тигель с образцом помещают в измерительную камеру (рис.5).

Проведение эксперимента

Управление процессом измерения и обработки выводимой информации в калориметрах осуществляется с помощью специального программного комплекса «Proteus».

С помощью программного обеспечения калориметра создается новый файл, который будет содержать всю информацию об измерении (рис.6). В указанном файле задается вес образца, выбираются файлы калибровки по температуре и чувствительности. Современные калориметры позволяют проводить исследования в различных температурных режимах:

- линейное нагревание/охлаждение (динамический режим) в заданном интервале температур с заданной постоянной скоростью. Скорость изменения температуры варьируется в широких пределах (обычно 0,1 – 100 град/мин) и выбирается исследователем в зависимости от поставленной задачи. Следует помнить, что чем выше скорость измерения, тем интенсивнее отклики, измеряемый калориметром, однако, при этом наблюдаемые пики становятся более размытыми, таким образом, точность измерения уменьшается.

- изотермическая выдержка при заданной температуре в заданном временном интервале.

Рис. 6. Пример задания температурной программы

После написания программы следует сохранить созданный файл и запустить программу измерений. По окончании измерения все результаты записываются в ранее сохраненный файл. Для того, чтобы извлечь образец из измерительной камеры следует дождаться ее охлаждения до температуры меньшей 100°С. По окончании измерений следует закрыть измерительную камеру отключить подачу газа.

Дата добавления: 2018-04-04; просмотров: 1662; Мы поможем в написании вашей работы!

Поделиться с друзьями:

12 Следующая ⇒

Мы поможем в написании ваших работ!