![[TiengNga]](/html/style/image/icon/rs.jpg){kind=icon}
Phân tích nhiệt lượng quét vi sai DSC3+
- Phương pháp phân tích nhiệt là gì?
Phân tích nhiệt là các phương pháp phân tích mà trong đó các tích chất vật lý cũng như hĩa học của mẫu được đo một cách liên tục như những hàm của sự thay đổi nhiệt độ. Nhiệt độ ở đây thay đổi theo quy luật được định sẵn (thông thường thay đổi tuyến tính theo thời gian). Trên cơ sở lý thuyết về nhiệt động học, từ sự thay đổi các tính chất đó ta có thể xác định được các thông số yêu cầu của việc phân tích. Các tính chất được xác định bao gồm: Nhiệt độ chuyển pha, tổn hao khối lượng, năng lượng chuyển pha, biến đổi về kích thước, ứng suất, tính chất nhờn, đàn hồi…
Hiện nay có nhiều các phương pháp phân tích nhiệt khác nhau, ba phương pháp phổ biến nhất hiện nay bao gồm:
- Phương pháp phân tích nhiệt vi sai (DTA).
- Phương pháp quét nhiệt vi sai (DSC).
- Phương pháp phân tích nhiệt trọng lượng (TGA).
2. Cơ sở lý thuyết của phương pháp phân tích nhiệt
Bản chất của kỹ thuật phân tích nhiệt là dựa trên nguyên lý về nhiệt động học. Có thể nói nhiệt là một trong những tham số cơ bản nhất của vật lý học. Chính sự thay đổi về nhiệt độ kéo theo một loạt các đại lượng vật lý khác cũng thay đổi như năng lượng chuyển pha, độ nhớt, độ đàn hồi, entropy, entanpy…
Quy tắc:
- Biến thiên nhiệt độ và biến thiên nhiệt lượng mẫu nhận được tỷ lệ thuận với nhau.
- Biến thiên nhiệt độ và biến thiên khối lượng, nhiệt dung của mẫu tỷ lệ nghịch với nhau.
Một số đại lượng phụ thuộc vào sự biến thiên của nhiệt độ bao gồm:
- Entropy là đại lượng liên quan đến việc truyền năng lượng nhiệt của mẫu, thể hiện tính ổn định/ tính ngẫu nhiên của các phần tử. Giá trịo entropy có thể âm hoặc dương. Entropy được ký hiệu S tính theo đơn vị J/K.
- Pha: Một chất thường tồn tại ở ba pha rắn lỏng khí. Khi chất chuyển từ pha này sang pha khác sẽ tỏa hoặc hấp thumột lượng nhiệt nhất định. Khi lượng nhiệt tỏa ra hoặc hấp thu bằng nhau, chất ở trạng thái cân bằng pha. Các quá trình chuyển pha vật lý bao gồm nóng chảy, sôi, thăng hoa, bay hơi, chuyển hóa đa hình, chuyển từ dạng vô định hình sang dạng tinh thể.
3. Ứng dụng của các phương pháp phân tích nhiệt
Thông tin có thể khai thác từ các dữ liệu phân tích nhiệt là rất phong phú, chính vì vậy lĩnh vực ứng dụng phân tích nhiệt rất rộng, bao gồm hầu hết các lĩnh vực khoa học, công nghệ và sản xuất có liên quan đến vật liệu.
Để nghiên cứu vật liệu, chúng ta có thể ứng dụng một hoặc nhiều nhiều các kỹ thuật phân tích khác nhau để tìm phục vụ các bài toán đặt ra. Dưới đây là một số công cụ phân tích nhiệt chủ yếu, thông dụng nhất phù hợp với các bài toán phân tích nhiệt.
4. Phân tích nhiệt quét vi sai
Phân tích nhiệt quét vi sai - Differential Scanning Calorimetry (DSC) là một trong những kỹ thuật phân tích nhiệt được sử dụng phổ biến và rộng rãi trong nghiên cứu vật lý chất rắn, khoa học vật liệu và hóa học. Kỹ thuật này đo sự khác biệt về lưu lượng nhiệt (heat flow) của mẫu và so với mẫu đối chứng theo thời gian hoặc nhiệt độ trong điều kiện gia nhiệt, làm lạnh hoặc điều kiện đẳng nhiệt.
Những ứng dụng chính của phương pháp quét nhiệt vi sai trong lĩnh vực nghiên cứu vật liệu polyme là xác định: nhiệt độ chuyển thủy tinh, nhiệt độ nóng chảy, nhiệt độ kết tinh hóa; nhiệt phân hủy, nhiệt cảm ứng; các thông số động học của phản ứng hóa học; quá trình đóng rắn; suy thoái nhiệt độ.
Thiết bị phân tích nhiệt quét vi sai DSC có thể ứng dụng trong môi trường nghiên cứu, giảng dạy cũng như trong công nghiệp như là một công cụ quản lý chất lượng hữu ích.
Nguyên lý làm việc:
DSC làm việc dựa trên nguyên lý do sự thay đổi nhiệt độ và nhiệt lượng tỏa ra từ mẫu khi bị đốt nóng và so sánh với thông tin từ mẫu chuẩn. Buồng mẫu gồm hai đĩa cân, một đĩa cân chuẩn không chứa mẫu và làm bằng vật liệu được chuẩn hóa thông tin nhiệt. Đĩa cân còn lại chứa mẫu cần phân tích. Đĩa được đặt trên hệ thống vi cân cho phép cân chính xác khối lượng mẫu, cùng với hệ thống cảm biến nhiệt độ đặt bên dưới đĩa cân cho phép xác định nhiệt độ của mẫu. Cả hệ thống này được đặt trong buồng đốt mà tốc độ đốt nhiệt thường được thay đổi bằng các dòng khí thổi. Từ các cảm biến đo đạc, dòng nhiệt thu tỏa từ mẫu sẽ được xác định như một hàm của nhiệt độ:
với H là enthalpy ẩn nhiệt,
Cp là nhiệt dung của mẫu Cp = C.m (C là nhiệt dung riêng, m là khối lượng),
ƒ (T,t) là một hàm của nhiệt độ và thời gian.
Bên cạnh việc đo dòng nhiệt, thiết bị DSC có thể đo được sự thay đổi khối lượng nhờ vi cân đặt bên dưới đĩa cân, và có thể thực hiện tính năng phân tích nhiệt trọng lượng (Thermal gravimetric analysis - TGA).
Một hệ thống phân tích quét nhiệt vi sai bao gồm một buồng đốt và một máy tính:
- Hai chén được gia nhiệt trong buồng đốt.
- Chén chứa mẫu sẽ chứa vật liệu cần nghiên cứu. Trong khi, một chén rỗng được sử dụng như chén so sánh đối chiếu.
- Khi lò được nung nóng, dòng nhiệt đi qua đĩa và đến các chén.
- Nếu các chén có tính chất nhiệt giống nhau thì lưu lượng nhiệt đi vào hai chén là như nhau. Tín hiệu nhiệt vi sai là 0.
- Nếu trạng thái cân bằng này bị xáo trộn bởi bất kì sự thay đổi tính chất của mẫu (ví dụ như sự chuyển pha, chuyển trạng thái) thì một sự khác biệt về tín hiệu sẽ được tạo ra và ghi nhận.
Hình 1: Thiết bị phân tích nhiệt lượng quét vi sai DSC3+ Thermal Analysis System DSC 3+ hãng Mettler-Toledo/Thụy Sĩ
Hình 2: Hệ thống thiết bị phân tích nhiệt lượng quét vi sai DSC3+ kèm theo máy tính tại Phòng thử nghiệm Viện Độ bền Nhiệt đới
Bên cạnh thế mạnh về các lĩnh vực thử nghiệm gia tốc, Phòng thí nghiệm Viện Độ bền Nhiệt đới được trang bị hệ thống thiết bị hiện đại đáp ứng được các phép thử nghiệm lĩnh vức hóa học. Trong đó kể đến thiết bị phân tích nhiệt lượng quét vi sai Thermal Analysis System DSC 3+ của hãng Mettler-Toledo/Thụy Sĩ (Hình 1 và Hình 2), với các đặc tính kỹ thuật:
- Lấy mẫu Dữ liệu: tối đa 50 pts dữ liệu/giây
- Giới hạn nhiệt độ: -150 °C đến 700 °C
- Đầu ra cảm biến: Luồng nhiệt
- Tỷ lệ Làm mát (phút): 0,02 K – 50 K
- Phạm vi nhiệt độ: -150 °C đến 700 °C
Các tiêu chuẩn áp dụng:
- ASTM E473 - Terminology Relating to Thermal Analysis and Rheology
-ASTM E967 - Test Method for Temperature Calibration of Differential Scanning Calorimeters and Differential Thermal Analyzers
-ASTM E968 - Practice for Heat Flow Calibration of Differential Scanning Calorimeters
-ASTM E1142 - Terminology Relating to Thermophysical Properties.
- ISO 11357–4:2005 - Plastics: Differential Scanning Calorimetry (DSC)- Determination of Specific Heat Capacity.
-ASTM K 7123 - Testing Methods for Specific Heat Capacity of Plastics.
