Rapid DSC - โลกใหม่ที่น่าตื่นเต้นของ Flash DSC

 
สไลด์ 0: Flash DSC 1: การวัดค่าความต่างความร้อนของสารอย่างรวดเร็วแบบใหม่ (Novel Rapid Scanning Calorimeter)

สวัสดีทุกท่าน

ยินดีต้อนรับสู่การสัมมนาเกี่ยวกับ Flash DSC 1

METTLER TOLEDO ยืนอยู่แถวหน้าของการพัฒนานวัตกรรมอุปกรณ์และเซ็นเซอร์การวิเคราะห์เชิงความร้อนมาเกือบห้าสิบปี
สมาชิกใหม่ในกลุ่มอุปกรณ์ประสิทธิภาพสูงชิ้นล่าสุดของเราคือ Flash DSC 1
อุปกรณ์การสแกนอย่างรวดเร็วนี้เปิดโอกาสให้กับการนำไปใช้งานแบบใหม่ๆ อีกมาก ซึ่งจะช่วยให้สามารถวัดในสิ่งที่ไม่สามารถทำได้มาก่อน ส่งผลให้สามารถค้นพบสมบัติที่ถูกซ่อนเร้นของวัสดุได้


สไลด์ 1: เนื้อหา

สไลด์แรกแสดงถึงภาพรวมของหัวข้อที่ผมต้องการกล่าวถึงในการสัมมนานี้

ผมจะเริ่มต้นด้วยการแนะนำ DSC แบบดั้งเดิมอย่างสั้น หลังจากนั้นจะอธิบายเรื่อง Flash DSC 1 และองค์ประกอบของมัน ซึ่งคือเซ็นเซอร์ความเร็วสูง MultiSTAR UFS 1

ผลที่ได้จากการวัดโดยใช้อุปกรณ์ DSC แบบดั้งเดิมนั้น มักจะขึ้นอยู่กับอัตราการให้ความร้อนหรือความเย็นที่ใช้ โดยเฉพาะอย่างยิ่งในกรณีที่มีวัสดุสมัยใหม่ที่มักจะมีความคงตัวน้อยกว่า (metastable)
ผมอยากจะอภิปรายเรื่องอิทธิพลของอัตราการสแกนในรายละเอียด เพื่อที่จะชี้ให้เห็นโอกาสในการนำไป Flash DSC 1 ไปใช้งาน

หลังจากนั้นผมจะจบการนำเสนอด้วยการนำไปใช้งานที่น่าสนใจจำนวนหนึ่ง


 
สไลด์ 2: เทคนิค DSC

สไลด์นี้แสดงให้เห็นแง่มุมที่สำคัญที่สุดของเทคนิค DSC แบบดั้งเดิม

เซ็นเซอร์มีตำแหน่งตรวจวัดแยกออกจากกันสองตำแหน่ง ตำแหน่งแรกสำหรับตัวอย่าง อีกตำแหน่งสำหรับวัสดุอ้างอิง เซ็นเซอร์นี้บรรจุอยู่ภายในเตาเผาซึ่งถูกควบคุมอุณหภูมิอย่างแม่นยำ ระบบตรวจวัดมีเส้นผ่าศูนย์กลางหลายเซ็นติเมตร ตัวอย่างโดยทั่วไปมีน้ำหนักตั้งแต่ 1 ถึง 20 มิลลิกรัม และได้รับการบรรจุไว้ในถ้วยใส่ตัวอย่างขนาดเล็ก ตัวอย่างอ้างอิงมักเป็นถ้วยใส่ตัวอย่างเปล่า

อุปกรณ์ DSC ชนิดนี้สามารถวัดความร้อนที่ไหลเข้าหรือออกจากตัวอย่างเมื่อถูกให้ความร้อนได้ อัตราการให้ความร้อนโดยทั่วไปอยู่ระหว่าง 0.1 และ 100 องศาต่อนาที การวัดสามารถทำได้ที่อัตราการให้ความเย็นที่ถูกควบคุม หรือภายใต้สภาวะอุณหภูมิคงที่


สไลด์ 3: เทคนิค DSC: กราฟ DSC ของ PET

สไลด์นี้แสดงถึงกราฟการวัด DSC โดยทั่วไป ซึ่งได้มาจากการให้ความร้อนกับตัวอย่างโพลีเอธิลีน เทเรฟทาเลตที่มีโครงสร้างไร้ระเบียบ หรือเรียกอีกอย่างว่า PET ที่ 10 องศาต่อนาที
การเบี่ยงเบนของเส้นพื้นฐานเบื้องต้นจะคงอยู่ประมาณ 30 วินาที หลังจากนี้ จะเกิดสภาวะคงที่และสามารถวัดค่าการไหลของความร้อนได้โดยใช้ความจุความร้อนของตัวอย่าง
เหตุการณ์ทางความร้อนมากมายเกิดขึ้นเมื่ออุณหภูมิของตัวอย่างสูงขึ้น อันดับแรก เราเห็นการเปลี่ยนสถานะคล้ายแก้ว ตามด้วยพีคของการคลายความเครียดเอนทาลปีที่ประมาณ 80 องศาเซลเซียส
ซึ่งจะตามด้วยการคายความร้อน หรือที่เรียกว่าพีคของการเกิดปฏิกิริยาการเกิดผลึกเมื่ออุณหภูมิสูงขึ้นที่อุณหภูมิสูงสุดที่ 150 องศา ในกระบวนการนี้ ส่วนหนึ่งของ PET ที่มีโครงสร้างไม่เป็นระเบียบ จะเกิดผลึกจากการหลอมเหลวที่เย็นมาก
และสุดท้าย ผลึก PET จะหลอมเหลว ก่อให้เกิดพีคการหลอมเหลวแบบดูดความร้อนที่อุณหภูมิระหว่าง 220 ถึง 270 องศา

ระหว่างการเปลี่ยนสถานะคล้ายแก้วและการหลอมเหลว จะพบการเกิดผลึกขนาดเล็กมากในขณะที่ตัวอย่างได้รับความร้อน เมื่ออุณหภูมิสูงขึ้น ผลึกเหล่านี้จึงเริ่มเปลี่ยนไปสู่ผลึกที่มีความเสถียรมากขึ้น น่าเสียดายที่เราไม่สามารถเห็นกระบวนการจัดเรียงโครงสร้างใหม่เหล่านี้ในกราฟ DSC ได้ เพราะกระบวนการคายความร้อนและดูดความร้อนเกิดขึ้นพร้อมกัน
ความจริงแล้ววัสดุหลายชนิด โดยเฉพาะโพลิเมอร์นั้น มักจะแสดงเหตุการณ์เชิงความร้อนซึ่งขึ้นอยู่กับเงื่อนไขการวัด DSC เนื่องจากวัสดุจะผ่านกระบวนการจัดเรียงโครงสร้างใหม่ที่แตกต่างกัน

ผมจะอธิบายถึงเรื่องนี้ต่อโดยละเอียด


สไลด์ 4: การจัดเรียงโครงสร้างใหม่ระหว่างการวัด

สไลด์นี้แสดงกราฟ DSC สองเส้นของวัสดุชิ้นเดียวกัน
กราฟสีน้ำเงิน วัดที่ 10 องศาต่อนาที แสดงการเปลี่ยนสถานะคล้ายแก้ว การเกิดปฏิกิริยาการเกิดผลึกเมื่ออุณหภูมิสูงขึ้น และการหลอมเหลวที่เราอภิปรายไปแล้วในสไลด์ที่ผ่านมา การเกิดปฏิกิริยาการเกิดผลึกเมื่ออุณหภูมิสูงขึ้นและการหลอมเหลวเป็นกระบวนการจัดเรียงโครงสร้างใหม่ที่เกิดขึ้นระหว่างการให้ความร้อน

กราฟสีแดงถูกวัดที่ 60,000 องศาต่อนาที และดูแตกต่างมาก ซึ่งหมายความว่าผลของการวัดที่สมบูรณ์จะเกิดขึ้นได้ก็ต่อเมื่อวัสดุถูกวัดที่อัตราการให้ความร้อนที่สูงมาก ที่อัตราการให้ความร้อนระดับนี้ จะสังเกตได้เฉพาะการเปลี่ยนสถานะคล้ายแก้วเท่านั้น การจัดเรียงโครงสร้างใหม่ไม่สามารถเกิดขึ้นได้ที่อัตราการให้ความร้อนสูงขนาดนี้ เพราะมีเวลาไม่เพียงพอ วัสดุถูกวัดในสถานะที่เคยเป็นอยู่ก่อนการวัดนี้ หรือเมื่อพบ ไม่มีเวลาสำหรับการเปลี่ยนแปลงเชิงโครงสร้างใดๆ

เราได้ข้อสรุปที่สำคัญสองข้อจากผลลัพธ์นี้

ข้อแรก ถ้าคุณต้องตรวจสอบพฤติกรรมของวัสดุในกระบวนการเชิงเทคนิค เช่นในกระบวนการการเกิดปฏิกิริยาการเกิดผลึกในการฉีดขึ้นรูป อัตราการให้ความร้อนที่ใช้สำหรับการวัดต้องเทียบเคียงได้กับสภาพที่เกิดขึ้นจริงในกระบวนการดังกล่าว
ข้อที่สอง เพื่อการวัดดังกล่าวนั้น เราจึงต้องใช้อุปกรณ์ DSC ที่สามารถวัดได้ที่ช่วงอัตราการให้ความร้อนและความเย็นกว้างมาก โดยเฉพาะที่อัตราสูงที่ประมาณ 100 ถึง 1,000 องศาต่อวินาที ซึ่งอุปกรณ์ DSC แบบดั้งเดิมจะประสบกับขีดจำกัดของประสิทธิภาพเนื่องจากอัตราการให้ความร้อนสูงสุดของอุปกรณ์อยู่ที่ประมาณหลายร้อยองศาต่อนาทีเท่านั้น หรือกล่าวคือ แทบจะช้าไปประมาณ 100 เท่า แต่ข้อได้เปรียบของอุปกรณ์แบบดั้งเดิมคือสามารถใช้วัดตัวอย่างขนาดใหญ่กว่าในถ้วยใส่ตัวอย่างได้


 
สไลด์ 5: Flash DSC 1

จากการพิจารณาข้างต้น METTLER TOLEDO จึงพัฒนาอุปกรณ์สแกน rapid DSC ชนิดใหม่ ที่ใช้เทคโนโลยีใหม่ล่าสุด อุปกรณ์นี้เรียกว่า Flash DSC 1 ซึ่งเห็นได้ในสไลด์

Flash DSC 1 รวมเซ็นเซอร์แบบชิป DSC จากเทคโนโลยี MEMS ซึ่งเป็นแนวคิดเชิงนวัตกรรมการวัดและการควบคุมที่ได้รับสิทธิบัตร เข้ากับการออกแบบการยศาสตร์ที่เหมาะกับการใช้งาน

การเตรียมตัวอย่างที่ง่ายและความสามารถในการให้ความร้อนและความเย็นสูง แสดงถึงการให้ความสำคัญกับการพัฒนาอุปกรณ์ อย่างไรก็ตาม อัตราการสแกนควรคาบเกี่ยวกับอัตราการสแกนของอุปกรณ์ DSC แบบดั้งเดิม ช่วงการคาบเกี่ยวแสดงในแผนภาพแทรก

Flash DSC 1 มีอัตราการให้ความร้อนสูงสุดถึง 40,000 องศาต่อวินาที หรือ 2,400,000 องศาต่อนาที และอัตราการให้ความเย็นสูงสุดถึง 4,000 องศาต่อวินาที หรือ 240,000 องศาต่อนาที

ซึ่งหมายความว่า Flash DSC 1 สามารถทำการวัดที่อัตราการสแกนในช่วง 4 ถึง 5 decades ได้ Flash DSC 1 และ DSC 1 รวมกัน จะครอบคลุมการสแกนได้มากกว่า 7 decades

ช่วงอุณหภูมิของ Flash DSC 1 คือจาก -95 องศาเซลเซียส ถึง 450 องศาเซลเซียส การให้ความเย็นจะได้จากอุปกรณ์เสริมอินทราคูลเลอร์


สไลด์ 6: Flash DSC 1

เพื่อที่จะให้ได้อัตราการให้ความร้อนที่สูงมาก มวลของตัวอย่างมักจะต้องมีขนาดเพียงไม่กี่ไมโครกรัมหรือเล็กถึงนาโนกรัม
การเตรียมตัวอย่างและการบรรจุตัวอย่างที่เล็กมากขนาดนั้น สามารถนั่งทำได้อย่างสะดวกสบายที่ด้านหน้าเครื่องมือ เพื่อให้มั่นใจว่ามีการสัมผัสเชิงความร้อนอย่างสมบูรณ์ที่สุด ตัวอย่างจะถูกวางลงบนเซ็นเซอร์โดยตรง
ซึ่งสามารถทำได้ด้วยการใช้กล้องจุลทรรศน์ ทำให้การหยิบจับตัวอย่างทำได้ง่ายและเชื่อถือได้

ดังที่คุณเห็นในภาพทางด้านซ้าย สามารถเปลี่ยนเซ็นเซอร์ได้อย่างง่ายและรวดเร็วภายในเวลาน้อยกว่าหนึ่งนาที นั่นเป็นเพราะนวัตกรรมใหม่ของการออกแบบตัวรองเซ็นเซอร์
เซ็นเซอร์ที่ใช้แล้วและมีตัวอย่างติดอยู่ยังสามารถจับเก็บได้อย่างปลอดภัยภายในกล่องชิปเซ็นเซอร์ ซึ่งจะช่วยในการการตรวจวัดต่างๆ ซ้ำโดยใช้ตัวอย่างเดิมได้ในภายหลัง

ในตอนนี้ ผมอยากจะอธิบายถึงเซ็นเซอร์ใหม่นี้ในสองสไลด์ต่อไป


สไลด์ 7: Flash DSC 1: เซ็นเซอร์แบบชิป

เราจะเห็นแผนภาพไดอะแกรมของเซ็นเซอร์แบบชิปชนิดใหม่ ซึ่งเป็นหัวใจของ Flash DSC 1  

Flash DSC 1 ใช้เซ็นเซอร์ MultiSTAR UFS 1 UFS ย่อมาจาก Ultra Fast Sensor เซ็นเซอร์นี้เป็นเซ็นเซอร์แบบชิปที่ใช้เทคโนโลยี MEMS เซ็นเซอร์เครื่องทำความร้อนและอุณหภูมิจะถูกบรรจุบนแผ่นเมมเบรนบางๆ ที่หนาเพียง 2 ไมโครเมตรเท่านั้น
การสร้างเซ็นเซอร์นี้จริงๆ แล้วคือเตาหลอม DSC ขนาดจิ๋วที่สมบูรณ์แบบสำหรับตัวอย่างและวัสดุอ้างอิงนั่นเอง


สไลด์ 8: Flash DSC 1: เซ็นเซอร์แบบชิป

ภาพทางด้านซ้ายแสดงถึงเซ็นเซอร์ UFS1 แผ่นเมมเบรนซึ่งมีเซ็นเซอร์จริงติดตั้งอยู่ในกรอบเซรามิกพร้อมกับการเชื่อมต่อวงจรไฟฟ้า

ภาพตรงกลางคือมุมมองแบบขยายของเซ็นเซอร์จริง ซึ่งประกอบด้วยแผ่นเมมเบรน 2 ชิ้น พร้อมเตาหลอมแบบเดียวกัน จริงๆ แล้ว เซ็นเซอร์แต่ละตัวคือเซล DSC ที่สมบูรณ์แบบ ในภาพ ตัวอย่างจะถูกวางที่ส่วนบนของเซ็นเซอร์ ส่วนล่างคือส่วนอ้างอิง ซึ่งมักจะปล่อยว่าง ด้วยความสมมาตรสูงของเซ็นเซอร์วัดความต่างนี้ ทำให้ผลลัพธ์ที่ได้มีความนิ่งและมีค่าพื้นฐานที่ทำซ้ำได้สูงมาก และที่อัตราการสแกนสูงที่สุด กราฟการวัดยังแสดงการทำซ้ำได้สูงมาก ซึ่งไม่เคยทำได้มาก่อนในอุปกรณ์ DSC

ภาพทางด้านขวาคือมุมมองขยายของตัวอย่างบนเซ็นเซอร์ เพื่อให้ได้โปรไฟล์อุณหภูมิที่สอดคล้องกัน และเพื่อให้การเตรียมตัวอย่างง่ายขึ้น พื้นที่ของแผ่นเมมเบรนส่วนที่ใช้งานซึ่งมีเส้นผ่าศูนย์กลาง 0.5 มม. จะถูกเคลือบด้วยอะลูมิเนียม เทอร์โมคัปเปิลแปดตัวและเครื่องทำความร้อนแบบตัวต้านทานสี่ตัวยังสามารถมองเห็นได้ด้วย


สไลด์ 9: วัสดุ Metastable

หากกระบวนการจลนศาสตร์ส่งผลกับรูปแบบของโครงสร้างวัสดุที่กำลังตรวจสอบอยู่ แนะนำว่าให้ใช้อัตราการให้ความร้อนและให้ความเย็นที่แตกต่างกันเป็นช่วงกว้าง ในกรณีดังกล่าว โครงสร้างนั้นจะขึ้นอยู่กับสภาพการเย็นตัวลงและมักจะอยู่ในสถานะ metastable โครงสร้างสามารถเปลี่ยนไปได้ อันเป็นผลมาจากการเปลี่ยนแปลงของอุณหภูมิ หรือระหว่างการเก็บที่อุณหภูมิคงที่

โพลิเมอร์เป็นตัวอย่างของวัสดุที่ก่อโครงสร้าง metastable เนื่องจากโครงสร้างทางโมเลกุล จึงเกิดผลึกเพียงเล็กน้อยเท่านั้นในช่วงการเย็นตัวลงจากการหลอมเหลว ขนาดของผลึกขึ้นอยู่กับอุณหภูมิในการเกิดปฏิกิริยาการเกิดผลึกและอัตราการให้ความเย็น การจัดเรียงโครงสร้างใหม่สามารถเกิดขึ้นได้ในขณะให้ความร้อน ซึ่งหมายถึงผลึกจะหลอมเหลวและเกิดผลึกอีกครั้งในเวลาเดียวกันเพื่อก่อเป็นโครงสร้างที่มีความเสถียรกว่า กราฟการหลอมเหลว DSC จึงแสดงถึงผลของการจัดเรียงโครงสร้างใหม่ และไม่ใช่การหลอมเหลวของผลึกดั้งเดิม ปริมาณการจัดเรียงโครงสร้างใหม่ขึ้นอยู่กับอัตราการให้ความร้อน

โครงสร้าง metastable ถูกสร้างขึ้นในวัสดุหลายชนิดนอกเหนือจากโพลิเมอร์ ยกตัวอย่างเช่น สารพหุสัณฐาน ในระยะที่แตกต่างกันและการกระจายนั้นขึ้นอยู่กับสภาวะในการเกิดปฏิกิริยาการเกิดผลึก
ในวัสดุผสมและอัลลอย กระบวนการแพร่ การแยกเฟส การผสมและการแยกส่วนผสม และกระบวนการอื่นที่ขึ้นอยู่กับเวลา นำไปสู่การก่อตัวของโครงสร้าง metastable
นอกจากนั้น วัสดุเชิงประกอบหลายชนิดจะก่อโครงสร้างที่ขึ้นอยู่กับสภาวะการให้ความเย็น ซึ่งมักจะเกิดจากกระบวนการที่เกิดขึ้นที่พื้นผิวด้านในซึ่งก่อตัวที่ขอบเขตของเฟสนั้น



 
สไลด์ 10: Flash DSC พื้นฐาน: การทดลองทั่วไป

แผนภาพไดอะแกรมแสดงโปรแกรมอุณหภูมิ Flash DSC โดยทั่วไป

อันดับแรก ช่วงการให้ความร้อน ตัวอย่างมักจะหลอมเหลวเพื่อให้ได้พื้นที่สัมผัสความร้อนกับเซ็นเซอร์ที่ดีที่สุด

อันดับที่สอง ช่วงควบคุมการให้ความเย็น สามารถสร้างโครงสร้างตามที่กำหนดได้

อันดับสาม ช่วงการให้ความร้อน ตัวอย่างถูกวัดจนกว่าจะหลอมเหลวในที่สุด

ทั้งในส่วนการให้ความเย็นและการให้ความร้อนจะถูกวัดและสามารถทำซ้ำได้มากกว่าหนึ่งร้อยครั้งในโปรแกรมการวัด โดยใช้อัตราการสแกนที่แตกต่างกัน ทำให้สามารถวัดการขึ้นอยู่กับอัตราการให้ความเย็นของกระบวนการเกิดปฏิกิริยาการเกิดผลึกได้ในช่วงเวลาสั้นมาก ในโปรแกรมการวัดเพียงโปรแกรมเดียว


สไลด์ 11: Flash DSC พื้นฐาน: การผันแปรของอัตราการให้ความร้อน

กระบวนการจัดเรียงโครงสร้างใหม่สามารถตรวจสอบได้โดยการปรับอัตราการให้ความร้อนที่แตกต่างกัน หรือสามารถยับยั้งอย่างสมบูรณ์โดยการเลือกอัตราการให้ความร้อนที่เหมาะสม
หากเกิดการจัดเรียงโครงสร้างใหม่ขึ้น โครงสร้างของวัสดุจะเปลี่ยนแปลงไประหว่างการให้ความร้อน
ตัวอย่างของกระบวนการจัดเรียงโครงสร้างใหม่คือการแยกเฟสกับสารผสม หรือการแยกของเฟสเฉพาะในอัลลอย
ในกรณีของโพลิเมอร์ ผลึกขนาดเล็กและไม่เสถียรเริ่มหลอมเหลว และเกิดผลึกอีกครั้งเมื่อได้รับความร้อนเพื่อก่อตัวเป็นผลึกที่มีความเสถียรมากขึ้น
การเปลี่ยนผ่านของเฟสพหุสัณฐาน metastable ที่แตกต่างกัน เป็นกระบวนการจัดเรียงโครงสร้างใหม่ที่ขึ้นอยู่กับอัตราการให้ความร้อน

กราฟการวัดในแผนภาพแทรกแสดงตัวอย่างการจัดเรียงโครงสร้างใหม่ของโพลีโพรไพลีนแบบไอโซแทคติกเมื่อได้รับความร้อน ก่อนการวัดการให้ความร้อน ตัวอย่างที่ใช้ทดสอบถูกให้ความเย็นที่ 1 องศาต่อวินาทีจากการหลอมเหลว หลังจากนั้นจะมีการให้ความร้อนที่อัตราระหว่าง 10 และ 2,000 องศาต่อวินาที
ถ้าไม่มีการจัดเรียงโครงสร้างใหม่เกิดขึ้น เราคาดหวังว่าพีคการหลอมเหลวสูงสุดจะย้ายไปที่อุณหภูมิสูงขึ้นที่อัตราการให้ความร้อนสูงขึ้น ซึ่งเป็นกรณีที่อัตราการให้ความร้อนสูงกว่า 200 องศาต่อวินาที ที่อัตราการให้ความร้อนที่ต่ำกว่า เราสังเกตเห็นพฤติกรรมในทางตรงกันข้าม ยิ่งอัตราการให้ความร้อนต่ำเท่าไร อุณหภูมิการหลอมเหลวจะสูงขึ้นเท่านั้น ในกรณีนี้ เวลาระหว่างการให้ความร้อนนานพอสำหรับผลึกที่มีความเสถียรกว่าสามารถก่อตัวได้ ซึ่งจะไม่หลอมเหลวจนกว่าจะถึงอุณหภูมิสูงขึ้นไปอีก ยิ่งอัตราการให้ความร้อนต่ำเท่าไร อุณหภูมิการหลอมเหลวยิ่งสูงขึ้น และยิ่งมีข้อมูลเกี่ยวกับตัวอย่างดั้งเดิมในจุดสูงสุดของการหลอมเหลวน้อยลงเท่านั้น


สไลด์ 12: Flash DSC พื้นฐาน: การผันแปรของอัตราการให้ความเย็น

สามารถศึกษาจลนศาสตร์การก่อตัวของโครงสร้างได้โดยการวัดการให้ความเย็นที่อัตราการให้ความเย็นที่แตกต่างกัน
ข้อได้เปรียบที่สำคัญของ Flash DSC 1 คืออัตราการให้ความเย็นมีความสัมพันธ์กับกระบวนการเชิงเทคนิค เช่น สิ่งที่เกิดขึ้นในการฉีดขึ้นรูป ซึ่งทำให้สามารถติดตามการก่อตัวของโครงสร้างที่เกิดขึ้นในกระบวนการได้ นอกจากนั้น คุณยังได้ข้อมูลเกี่ยวกับประโยชน์และพฤติกรรมของสารเติมแต่ง เช่น สารก่อผลึกภายใต้เงื่อนไขที่ใกล้เคียงกับกระบวนการ
ข้อมูลที่ได้จากการทดลองการให้ความเย็นสามารถใช้เพื่อปรับปรุงการคำนวณที่ขึ้นอยู่กับแบบจำลองได้


สไลด์ 13: Flash DSC พื้นฐาน: การทดลองแบบอุณหภูมิคงที่

มักจะมีประโยชน์มากที่จะใช้การทดลองแบบอุณหภูมิคงที่ เพื่อใช้ตรวจสอบจลนศาสตร์ของกระบวนการที่เกี่ยวข้องกับการก่อตัวของโครงสร้าง
อันดับแรก ตัวอย่างจะถูกให้ความเย็นอย่างรวดเร็วจากอุณหภูมิการหลอมเหลวไปสู่อุณหภูมิการเกิดปฏิกิริยาการเกิดผลึกที่ไม่มีผลึกเกิดขึ้น หลังจากนั้น จะวัดการไหลของความร้อนอย่างต่อเนื่องระหว่างกระบวนการเกิดผลึกแบบอุณหภูมิคงที่ ซึ่งสามารถตรวจสอบปฏิกิริยาทางเคมีที่เกิดขึ้นอย่างรวดเร็วได้ด้วยวิธีเดียวกัน
นอกจากจะต้องมีอัตราการให้ความเย็นสูงแล้ว ช่วงการเปลี่ยนผ่านระหว่างการให้ความเย็นและอุณหภูมิคงที่ควรต้องสั้นที่สุดเท่าที่จะเป็นไปได้ด้วย
แผนภาพนี้แสดงกราฟของอุณหภูมิตัวอย่างในช่วงการเปลี่ยนผ่านจากการให้ความเย็นที่ 1,000 องศาต่อวินาที ไปยังช่วงอุณหภูมิคงที่ที่ 50 องศาเซลเซียส ในตัวอย่างนี้ ช่วงการเปลี่ยนผ่านของ Flash DSC 1 อยู่ที่ 5.5 มิลลิวินาที ระดับที่เกินไปสูงสุดคือ 0.02 องศา


 
สไลด์ 14: พื้นที่การนำไปใช้งานของ Flash DSC 1

สไลด์นี้สรุปพื้นที่การนำไปใช้งานที่สำคัญที่สุดของ Flash DSC 1 ซึ่งรวมถึง:

• การวิเคราะห์กระบวนการที่เกี่ยวข้องกับการก่อตัวอย่างซับซ้อนและรวดเร็วของโครงสร้าง และการหาจลนศาสตร์ของปฏิกิริยาที่เกิดขึ้นอย่างรวดเร็ว
• การตรวจสอบและการเปรียบเทียบพฤติกรรมของสารเติมแต่งที่อัตราการให้ความเย็นที่มีความสัมพันธ์โดยตรงกับกระบวนการ
• เนื่องจากมีอัตราการสแกนสูงมาก สามารถทำการวิเคราะห์เชิงความร้อนกับวัสดุได้อย่างครอบคลุมภายในเวลาอันสั้นได้ ตัวอย่างเช่น การตรวจสอบการขึ้นอยู่กับอัตราการให้ความเย็นของกระบวนการเกิดปฏิกิริยาการเกิดผลึกในช่วงที่มากกว่า 3 decades จะใช้เวลาน้อยกว่า 30 นาที
• Flash DSC 1 ช่วยให้สามารถตรวจสอบตัวอย่างในปริมาณน้อยมากได้ถึงขนาดเพียงแค่ไม่กี่นาโนกรัม
• สามารถวัดข้อมูลภายใต้สภาวะกระบวนการจริงได้ ซึ่งสามารถใช้เพื่อจำลองการคำนวณได้ เช่น เพื่อพัฒนาประสิทธิภาพของเครื่องมือ
  
  

สไลด์ 15: การนำเทคนิค Flash DSC ไปใช้งาน 1: สารสำหรับเทียบมาตรฐาน

เหมือนกับใน DSC แบบดั้งเดิม จุดหลอมเหลวของสารบริสุทธิ์สามารถใช้เพื่อตรวจสอบความถูกต้องของอุณหภูมิได้ สไลด์นี้แสดงกราฟที่สอดคล้องกันที่จุดหลอมเหลว อัตราการให้ความร้อนอยู่ที่ 100 องศาต่อวินาที

นอกจากพีคการหลอมเหลวของโลหะแกลเลียม อินเดียม และดีบุกแล้ว ยังแสดงให้เห็นการเปลี่ยนสถานะของแข็งไปของแข็งของอาดามันเที่ยมที่อุณหภูมิ -65 องศาเซลเซียสอีกด้วย การเปลี่ยนสถานะนี้เหมาะกับการตรวจสอบความถูกต้องของอุณหภูมิที่ต่ำกว่าอุณหภูมิห้อง
ที่แสดงไว้ยังมีแนฟทาลีนและ HP-53 อีกด้วย สารทั้งสองสามารถนำออกจากเซ็นเซอร์ได้อย่างง่ายดาย


 
สไลด์ 16: การนำเทคนิค Flash DSC ไปใช้งาน 2: การหลอมเหลวของ PET

โอกาสในการนำไปใช้งานที่เป็นไปได้อื่นๆ ทำให้เกิดความต้องการอัตราการให้ความร้อนและให้ความเย็นสูงกว่าที่มีใช้ใน DSC แบบดั้งเดิม ผมอยากจะอภิปรายถึงการนำไปใช้งานโดยทั่วไปบางชนิด

แผนภาพแสดงกราฟการหลอมเหลวของโพลีเอธิลีน เทเรฟทาเลต หรือเรียกอีกอย่างว่า PET วัสดุนี้จะเกิดผลึกที่อุณหภูมิ 170 องศาเซลเซียส เป็นเวลา 5 นาทีก่อนการวัด การวัดจะเกิดขึ้นที่อัตราการให้ความร้อนระหว่าง 50 และ 1,000 องศาต่อวินาที

แผนภาพแสดงกราฟการวัดหลายแบบซึ่งแสดงให้เห็นพีคสองพีคในช่วงการหลอมเหลว ที่อัตราการให้ความร้อนสูงขึ้น พีคของอุณหภูมิต่ำจะเลื่อนไปยังอุณหภูมิที่สูงกว่า และพีคของอุณหภูมิสูงจะเลื่อนไปยังอุณหภูมิที่ต่ำกว่า


สไลด์ 17: การนำเทคนิค Flash DSC ไปใช้งาน 2: การหลอมเหลวของ PET

แผนภาพสรุปผลลัพธ์ต่างๆ พีคของอุณหภูมิแสดงเป็นฟังก์ชันของอัตราการให้ความร้อนบนสเกลแบบลอการิทึม จุดสีน้ำเงินแทนพีคของอุณหภูมิต่ำ และจุดสีแดงแทนพีคของอุณหภูมิสูง

 กราฟสีน้ำเงินคือกระบวนการหลอมเหลวทั่วไปที่ไม่มีการจัดเรียงโครงสร้างใหม่ การหลอมเหลวของผลึกที่ก่อรูปขึ้นระหว่างการเกิดปฏิกิริยาการเกิดผลึก

พฤติกรรมของพีคของอุณหภูมิสูงเป็นคุณลักษณะเฉพาะของการหลอมเหลวของผลึกที่ก่อรูปขึ้นผ่านการจัดเรียงโครงสร้างเมื่อมีการให้ความร้อนใหม่ ยิ่งอัตราการให้ความร้อนต่ำเท่าไร ยิ่งต้องใช้เวลาในการเกิดผลึกจนสมบูรณ์มากเท่านั้น ซึ่งหมายถึงจุดหลอมเหลวที่สูงขึ้นด้วย

ที่อัตราการให้ความร้อน 1,000 องศาต่อวินาที จะมีการตรวจวัดพีคเพียงจุดเดียวเท่านั้น การจัดเรียงโครงสร้างใหม่ไม่สามารถเกิดขึ้นได้ที่อัตราการให้ความร้อนสูงขนาดนี้

แผนภาพนี้ยังแสดงขอบเขตของอัตราการให้ความร้อนของ DSC 1 แบบดั้งเดิมที่ประมาณ 0.1 ถึง 200 องศาต่อนาที และ Flash DSC 1 ที่ประมาณ 10 องศาต่อนาทีขึ้นไป ซึ่งซ้อนทับกัน


สไลด์ 18: การนำเทคนิค Flash DSC ไปใช้งาน 3: การจัดเรียงโครงสร้างใหม่ของ iPP

ตัวอย่างถัดไปนี้ยังแสดงถึงผลกระทบของการจัดเรียงโครงสร้างใหม่เมื่อได้รับการให้ความร้อน

 โพลีโพรไพลีนแบบไอโซแทคติกจะได้รับการให้ความเย็นอย่างรวดเร็วจากการหลอมเหลวที่ 4,000 องศาต่อวินาที เพื่อให้ได้ตัวอย่างที่มีโครงสร้างอสัณฐาน หลังจากนั้นตัวอย่างจะถูกให้ความร้อนที่อัตราการให้ความร้อนระหว่าง 5 และ 30,000 องศาต่อวินาที

เพื่อช่วยในการเปรียบเทียบ กราฟจะแสดงหน่วยความจุความร้อนที่เป็นมาตรฐาน โดยเทียบมวลของตัวอย่างและอัตราการให้ความร้อน ในการนำเสนอ "ความจุความร้อน" นี้ กระบวนการคายความร้อนแสดงให้เห็นในทิศทางชี้ลง  

การเปลี่ยนสถานะคล้ายแก้วที่ปรากฏที่ประมาณ 0 องศาเซลเซียส จะตามด้วยพีคของการคายความร้อนที่เกิดจากการเกิดปฏิกิริยาการเกิดผลึกเมื่ออุณหภูมิสูงขึ้น พีคของการหลอมเหลวอยู่ระหว่าง 130 และ 150 องศา
กราฟแสดงให้เห็นว่าเมื่อเพิ่มอัตราการให้ความร้อน พีคของการเกิดปฏิกิริยาการเกิดผลึกจะเคลื่อนไปยังอุณหภูมิสูงขึ้น และจุดหลอมเหลวจะเคลื่อนไปยังอุณหภูมิที่ต่ำกว่าเดิม
ที่อัตราการให้ความร้อนสูงกว่า 2,000 องศาต่อวินาที พื้นที่ของจุดสูงสุดของการเกิดปฏิกิริยาการเกิดผลึกและการหลอมเหลวจะเริ่มมีขนาดเล็กลง ที่ประมาณ 30,000 องศาต่อวินาที ไม่พบการเกิดปฏิกิริยาการเกิดผลึกอีกต่อไป ถึงแม้จะได้รับความร้อน วัสดุจะยังคงมีโครงสร้างไร้ระเบียบ และแสดงให้เห็นเพียงการเปลี่ยนสถานะคล้ายแก้ว    


สไลด์ 19: การนำเทคนิค Flash DSC ไปใช้งาน 4: การเกิดปฏิกิริยาการเกิดผลึกของ iPP

สไลด์นี้แสดงกราฟการให้ความเย็นที่ได้จากการวัดโพลีโพรไพรีนแบบไอโซแทคติกที่อัตราการให้ความเย็นระหว่าง 10 และ 500 องศาต่อวินาที

กราฟแสดงการเคลื่อนที่ของพีคของการเกิดปฏิกิริยาการเกิดผลึกที่เปลี่ยนไปตามอัตราการให้ความเย็น   


 
สไลด์ 20: การนำเทคนิค Flash DSC ไปใช้งาน 4: การเกิดปฏิกิริยาการเกิดผลึกของ iPP

แผนภาพนี้สรุปพีคของอุณหภูมิที่วัดได้ด้วยฟังก์ชันของอัตราการให้ความเย็น การวัดจะเกิดขึ้นที่อัตราการให้ความเย็นระหว่าง 0.1 และ 1,000 องศาต่อวินาที
การวัดหลายครั้งจะเกิดขึ้นที่อัตราการให้ความเย็นระหว่าง 0.02 และ 0.8 องศาต่อวินาที โดยใช้ DSC 1 แบบดั้งเดิม ผลลัพธ์แสดงด้วยจุดสีแดง จุดสีดำคือการวัดที่ได้โดยใช้ Flash DSC 1

ผลลัพธ์จากทั้งสองเทคนิคแสดงความสอดคล้องกันอย่างมากในการทับซ้อนของช่วงระหว่าง 0.2 และ 0.8 องศาต่อวินาที

กราฟการวัดที่บันทึกไว้ที่อัตราการให้ความเย็นประมาณ 50 องศาต่อวินาที แสดงการปรากฏขึ้นของพีคของการเกิดปฏิกิริยาการเกิดผลึกจุดที่สองที่ประมาณ 30 องศาเซลเซียส แน่นอนว่าโครงสร้างที่มีสภาพ metastable อื่นๆ จะก่อรูปขึ้นที่อุณหภูมิต่ำลักษณะนี้ อุณหภูมิสูงสุดที่เป็นพีคที่สอดคล้องกันแสดงให้เห็นเป็นสีน้ำเงิน


สไลด์ 21: การนำเทคนิค Flash DSC ไปใช้งาน 5: การเกิดปฏิกิริยาการเกิดผลึกแบบอุณหภูมิคงที่

สามารถวัดกระบวนการอุณหภูมิคงที่อย่างรวดเร็วได้ด้วย Flash DSC 1

สไลด์นี้แสดงกราฟการวัดบางส่วนที่ได้จากการเกิดปฏิกิริยาการเกิดผลึกแบบอุณหภูมิคงที่ของโพลีโพรไพลีนแบบไอโซแทคติกที่อุณหภูมิการเกิดผลึกระหว่าง -10 และ 110 องศาเซลเซียส
กราฟระหว่าง 46 และ 100 องศา แสดงถึงการเคลื่อนที่ของพีคสูงสุดด้วยฟังก์ชันของอุณหภูมิการเกิดปฏิกิริยาการเกิดผลึกแบบอุณหภูมิคงที่


สไลด์ 22: การนำเทคนิค Flash DSC ไปใช้งาน 5: การเกิดปฏิกิริยาการเกิดผลึกแบบอุณหภูมิคงที่

แผนภาพสรุปผลของการวัดทั้งหมด
ส่วนกลับเวลาของพีคที่ยอดสูงสุดของกราฟการวัดนี้ แสดงด้วยฟังก์ชันของอุณหภูมิการเกิดปฏิกิริยาการเกิดผลึก
เวลาของจุดสูงสุดส่วนกลับเป็นการตรวจวัดของอัตราการเกิดปฏิกิริยาคริสเตอร์ไลซ์เซชั่น
สามารถเห็นกระบวนการเกิดปฏิกิริยาการเกิดผลึกที่แตกต่างกันสองชนิดได้อย่างชัดเจน การเกิดปฏิกิริยาการเกิดผลึกต่างกันภายใต้อุณหภูมิต่ำกว่า 40 องศานั้น เกิดขึ้นเร็วกว่าการเกิดปฏิกิริยาการเกิดผลึกที่อุณหภูมิสูงกว่า


สไลด์ 23: การนำเทคนิค Flash DSC ไปใช้งาน 6: นาโนฟิลเลอร์ ใน PA 11

ในการนำไปใช้งานนี้ ความแตกต่างในการก่อผลึกถูกตรวจสอบโดยการปรับอัตราการให้ความเย็นต่างกัน
ตัวอย่างของโพลีเอไมด์ 11 (polyamide) ที่มีและไม่มีสารเติมเต็มจะถูกให้ความเย็นใน DSC แบบดั้งเดิม ที่ 10 องศาต่อนาที และใน Flash DSC 1 ที่ 1,200 องศาต่อนาที กราฟสีแดงคือผลของโพลีเอไมด์บริสุทธิ์ที่ไม่สารเติมเต็ม กราฟสีดำคือการตรวจวัดโพลีเอไมด์ที่ประกอบด้วยนาโนฟิลเลอร์ 5%
ใน DSC 1 แบบดั้งเดิมนั้น โพลีเอไมด์แบบไม่มีสารเติมเต็มจะเกิดผลึกที่อุณหภูมิสูงกว่าโพลีเอไมด์ที่มีสารเติมเต็มที่อัตราการให้ความเย็นต่ำ ผลกระทบที่ตรงกันข้ามนี้ถูกสังเกตด้วย Flash DSC 1 ที่อัตราการให้ความเย็นสูง จากนั้นสารเติมเต็มจะทำหน้าที่เป็นสารก่อผลึก


สไลด์ 24: การนำเทคนิคFlash DSC ไปใช้งาน 7: การหลอมเหลวและการสลายตัว

อุณหภูมิที่กระบวนการจลนศาสตร์เกิดขึ้นสามารถเคลื่อนไปได้ที่อัตราการให้ความร้อนสูงกว่า

ตัวอย่างคือการซ้อนทับของการหลอมเหลวและการสลายตัว ซึ่งเกิดขึ้นในวัสดุอินทรีย์หลายชนิด
ตัวอย่างนี้แสดงให้เห็นซัคคาริน ที่อัตราการให้ความร้อนต่ำกว่า การสลายตัวจะเริ่มต้นก่อนพีคของการหลอมเหลว ที่อัตราการให้ความร้อนสูงกว่า การสลายตัวจะเคลื่อนไปยังอุณหภูมิที่สูงกว่า


สไลด์ 25: การนำเทคนิค Flash DSC ไปใช้งาน 8: พหุสัณฐาน

การศึกษาโครงสร้าง (morphology) ของสารที่เฟสของพหุสัณฐานที่แตกต่างกัน ขึ้นอยู่กับประวัติเชิงความร้อน เช่นสภาวะการให้ความเย็นและการให้ความร้อน
สไลด์นี้แสดงพฤติกรรมการหลอมเหลวที่ซับซ้อนของฟีโนบาร์บิทัล
วัสดุดั้งเดิมมีพีคของการหลอมเหลวที่ประมาณ 180 องศาเซลเซียส หลังจากได้รับความเย็นที่ 100 องศาต่อวินาที วัสดุจะกลายเป็นวัสดุอสัณฐาน
ถ้าตัวอย่างถูกเติมด้วยผลึกคล้ายเข็มขนาดเล็ก เฟสที่แตกต่างกันจะถูกก่อรูปขึ้นจากการให้ความร้อน โดยขึ้นอยู่กับอัตราการให้ความร้อนที่ใช้ เฟสการเกิดพหุสัณฐานที่แตกต่างกันหกเฟสเห็นได้จากในกราฟการวัดนี้


สไลด์ 26: บทสรุป

ตัวอย่างการนำไปใช้งานหลายชนิดแสดงให้เห็นว่า Flash DSC 1 ช่วยเสริม DSC แบบดั้งเดิมอย่างเหมาะสม
อุปกรณ์นี้มีช่วงอัตราการให้ความร้อนและความเย็นกว้างอย่างมาก ซึ่งเป็นปัจจัยที่สำคัญมากสำหรับการกำหนดคุณลักษณะของวัสดุสมัยใหม่ ข้อมูลที่ได้นี้ช่วยให้สามารถปรับกระบวนการผลิตได้อย่างเหมาะสมที่สุด เทคนิคนี้มีความน่าสนใจเป็นพิเศษเนื่องจากสามารถวัดวัสดุได้ที่อัตราการให้ความเย็นที่วัสดุถูกผลิตขึ้นจริง
การวัดที่รวดเร็วและหลากหลายช่วยให้สามารถกำหนดคุณลักษณะของวัสดุในช่วงเวลาสั้นมากได้
สามารถช่วยในการพัฒนาวัสดุหรือสภาวะการผลิตได้จากผลการวัดการก่อรูปเชิงโครงสร้างที่อัตราการให้ความเย็นที่สัมพันธ์กับสภาวะที่เกิดขึ้นจริงในการผลิต


สไลด์ 27: บทสรุป

สไลด์นี้สรุปข้อได้เปรียบของ Flash DSC 1
- ด้วยอัตราการให้ความเย็นที่สูงมากของ Flash DSC 1 ทำให้กระบวนการที่เกี่ยวข้องกับการก่อรูปโครงสร้างที่เกิดขึ้นในการให้ความเย็นสามารถวัดได้
- อัตราการให้ความร้อนที่สูงมากทำให้ลดเวลาการวัดลง และสามารถใช้เพื่อตรวจสอบกระบวนการจัดเรียงโครงสร้างใหม่ หรือเพื่อป้องกันการจัดเรียงโครงสร้างใหม่ไม่ให้เกิดขึ้น
- การวัดผลยังสามารถทำได้ที่อัตราการให้ความร้อนค่อนข้างต่ำ เพราะ Flash DSC 1 มีความไวสูง ด้วยเหตุผลดังกล่าว อัตราการให้ความร้อนและความเย็น (ของ Flash DSC) จะซ้อนทับในระดับหนึ่งกับ DSC แบบดั้งเดิม ซึ่งทำให้เราสามารถเปรียบเทียบผลการทดลองได้โดยตรง
- ข่วงอุณหภูมิของ Flash DSC 1 พร้อมกับเซ็นเซอร์ MultiSTAR UFS 1 คือจาก -95 ถึง 450 องศาเซลเซียส
- ด้วยการคำนึงถึงการนำไปใช้งานและการออกแบบการยศาสตร์เพื่อประโยชน์ใช้งาน ทำให้สามารถเตรียมตัวอย่างได้ง่ายและรวดเร็ว


สไลด์ 28: สำหรับข้อมูลเพิ่มเติม

ถ้าคุณต้องการที่จะเรียนรู้เพิ่มเติมเกี่ยวกับ Flash DSC 1 หรือ ผลิตภัณฑ์การวิเคราะห์เชิงความร้อนอื่นๆ ของ METTLER TOLEDO โปรดเยี่ยมชมเว็บไซต์ของเรา หรือติดต่อฝ่ายขายผู้เชี่ยวชาญของ METTLER TOLEDO ในท้องที่ของคุณ คุณยังสามารถขอข้อมูลเกี่ยวกับคู่มือ โบรชัวร์ การสัมมนาออนไลน์ และผลิตภัณฑ์อื่นๆ ของเราได้อีกด้วย


สไลด์ 29: ขอขอบคุณ

สไลด์นี้เป็นการสรุปสั้นๆ เกี่ยวกับโลกใหม่ที่น่าตื่นเต้นของการวัด DSC ความเร็วสูง
ขอบคุณที่คุณให้ความสนใจ