پلیمرها در برابر نوسانات دما بسیار حساس هستند. هنگامی که حرارت داده میشوند، برخی از آنها ممکن است ذوب شوند و هنگامی که سرد میشوند برخی ممکن است خرد شوند. دانستن دمای بهینه برای تولید پلاستیکها میتواند تولید قویترین و بادوامترین محصولات را تضمین کند. گرماسنجی روبشی تفاضلی (Differential Scanning Calorimetry) یک ابزار تجزیه و تحلیل دقیق است که عملکرد و تخریب پلیمرها را هنگام قرار گرفتن در معرض طیف وسیعی از دماها، بررسی و اندازهگیری میکند. همچنین با استفاده از دستگاه DSC میتوان میزان پایداری حرارتی یک نمونه را در حضور اکسیژن بررسی کرد. در این مطالعه، به صورت مختصر به شرح آزمون حرارتی DSC و در ادامه به بررسی آزمون (Oxidation Induction Time/Temperature) OIT پرداخته شده است.
کلیدواژهها: آزمون گرماسنجی روبشی تفاضلی (DSC)، آزمون زمان القای اکسایش (OIT).
گرماسنجی روبشی تفاضلی (DSC) روشی است که به منظور بررسی پاسخ پلیمرها به گرمایش به کار میرود. از آزمون DSC میتوان به منظور بررسی رفتار ذوب یک پلیمر بلورین و یا انتقال شیشه استفاده کرد.
تنظیمات دستگاه DSC، از یک محفظه اندازه یری و یک کامپیوتر تشکیل شده است. دو کفه سنجش که یکی حاوی نمونه مورد بررسی و دیگری به عنوان مرجع استفاده میشود (و معمولا خالی است) در دستگاه DSC گرم میشوند. کامپیوتر تغییرات دما را کنترل و نرخ تغییرات دمای کفههای دستگاه DSC را تنظیم میکند.
سرعت تغییرات دما به ازای مقدار معینی از گرما بین دو کفه دستگاه DSC متفاوت است. این تفاوت، به ترکیبات محتویات داخل کفههای دستگاه و همچنین تغییرات فیزیکی ایجاد شده مانند تغییرات فاز بستگی دارد. در روش DSC، سیستم گرمای ارایه شده به یکی از کفهها را تغییر میدهد تا دمای هر دو کفه یکسان بماند. در نهایت، اختلاف گرمای مصرف شده به منظور یکسان ماندن دمای دو کفه گزارش شده و نمودار اختلاف گرما (q) بر حسب دما (T) رسم میشود. شکل 1، نمایشدهنده شمای داخلی یک دستگاه DSC می باشد.
که در رابطه 2، T∆، معادل تغییرات دما میباشد. در نهایت، ظرفیت گرمایی از تقسیم این دو رابطه بدست میآید:
رابطه 3:
در صورتی که Cp یک ماده در یک محدوده دمایی ثابت باشد، نمودار نرخ گرمایش بر حسب دما خطی با شیب صفر خواهد بود که در شکل 2 نشان داده شده است. در این صورت اگر نرخ گرمایش ثابت باشد، فاصله مابین خط ثابت و محور xها معادل ظرفیت گرمایی خواهد بود. در غیر این صورت، ظرفیت گرمایی از طریق شیب نمودار نرخ گرمایش بر حسب دما بدست میآید.
هنگامی که یک پلیمر از حالت مذاب خود سرد میشود، در نقطهای به دمای انتقال شیشهای خود (Tg) میرسد در این مرحله، خواص مکانیکی پلیمر، به دلیل تغییر در تحرک زنجیرهها، از خواص یک ماده الاستیک به یک ماده شکننده، تغییر مییابد. شکل (3)، بیانگر نمودار جریان گرما برحسب دما در دمای انتقال شیشهای میباشد. ظرفیت حرارتی پلیمرها، قبل و بعد از دمای انتقال شیشهای متفاوت است. ظرفیت حرارتی (Cp) پلیمرها، معمولا بالاتر از Tg آنهاست. DSC یک روش ارزشمند برای تعیین Tg پلیمرهاست. نکته قابل توجه این است که انتقال شیشهای به صورت ناگهانی و در یک دمای مشخص رخ نمیدهد بلکه در محدوده ای از دما رخ میدهد. دمای میانی ناحیه شیبدار در نمودار، به عنوان Tg در نظر گرفته میشود.
شایان ذکر است که همه پلیمرها در طول گرم شدن تحت هر 3 انتقال قرار نمیگیرند. پیکهای تبلور و ذوب فقط در پلیمرهایی که قابلیت تبلور دارند مشاهده میشود. این در حالی است که پلیمرهای صد در صد آمورف تنها پیک مربوط به انتقال شیشه ای را نشان میدهند. از آنجا که پلیمرهای نیمه بلورین معمولا حاوی نواحی آمورف نیز هستند، پیک مربوط به انتقال شیشهای را نیز نشان میدهند. شکل (7)، نشان دهنده مقایسهای بین نمودار DSC یک پلیمر نیمه بلورین و یک پلیمر آمورف است.
*OIT در ترموگرام، نقطهای است که اکسیداسیون (Onset) شروع میشود *OIT معمولا به عنوان زمان شروع t2 در آزمون بیان میشود. همانطور که در شکل 9 نشان داده است، در این حالت، نمونه به طور مداوم (110°C/min) در مجاورت با گاز اکسیژن (یا هوا) گرم میشود. در این روش تغییر گاز در یک زمان تعریف شده، ضروری نیست.
با مقایسه نکات مربوطه، بدیهی است که روش OIT* به تنظیمات کمتری نیاز دارد و نقطه شروع را بهتر نشان میدهد.
آنالیز گرماسنجی روبشی تفاضلی یا DSC روشی قدرتمند برای شناسایی ساختار فیزیکی و شیمیایی مواد و یک آنالیز حرارتی به حساب میآید. گرماسنجی روبشی تفاضلی برای اندازهگیری کمی تغییر انرژی است. از این روش میتوان برای اندازهگیری دمای ذوب، گرمای نهان ذوب، بررسی دمای انتقال شیشهای و دمای تبلور استفاده کرد. همچنین، با توجه به موارد گفته شده میتوان نتیجه گرفت که آزمون پایداری حرارتی OIT از عوامل مهم در تعیین کارایی مواد و قطعات پلیمری در مواجهه با دماهای بالاست. این آزمون برای بررسی مواد اولیه و همچنین برای بررسی کیفیت محصول نهایی به کار میرود به نحوی که اگر میزان OIT مواد اولیه پایین باشد، نشاندهنده پایین بودن مقاومت حرارتی است و نمیتوان مواد را فرایند نمود؛ یا اینکه احتمال آن وجود دارد که در زمان فرایندکردن، مواد پایداری خود را از دست داده و تخریب شوند.
1. Berlin H. Investigation of Polymers with Differential Scanning Calorimetry. Adv. Lab DSC Investig. Polym. 2009:1-7. 2. https://www.innovatechlabs.com/newsroom/2267/what-a-dsc-analysis-of-a-polymer-can-discover/ 3. Schmid M, Ritter A, Affolter S. Determination of oxidation induction time and temperature by DSC: results of round robin tests. Journal of Thermal Analysis and Calorimetry. 2006, 9;83(2):367-71.