Nezařazené | 23. 9. 2016

Termická analýza – metóda na testovanie termoplastov

Úvod

Všeobecne môžeme povedať, že termická analýza je súbor metód, pri ktorých je v definovanej atmosfére sledovaná niektorá vlastnosť testovanej vzorky v závislosti na čase alebo teplote, zatiaľ čo teplota vzorky je riadeným spôsobom menená.

Metódy termickej analýzy

Podľa sledovanej veličiny, delíme metódy termickej analýzy na:

Termogravimetria (TG) – sledovanou veličinou je zmena hmotnosti analyzovanej vzorky v závislosti na teplote alebo čase.

  • Derivačná termogravimetria (DTG) – zisťuje prvú deriváciu zmeny hmotnosti
  • Diferenciálna termická analýza (DTA) – sledovanou veličinou je teplotný rozdiel medzi analyzovanými vzorkami a referenčnou látkou.
  • Derivačná diferenciálna termická analýza (DDTA) – sleduje prvú deriváciu teplotného rozdielu medzi vzorkou a referenčnou látkou.
  • Diferenciálna skenovacia kalorimetria (DSC) – meranou veličinou je reakčná entalpia.
  • Termodilatometrická analýza (TD) – sleduje zmeny objemu.
  • Simultánna termická analýza (STA) – využíva súčasne dve metódy pre štúdium fyzikálnych vlastností (napr. TG/DSC, TG/DTA) [2],[4].

V nadväznosti na vyššie spomínanom základnom delení metód termickej analýzy vieme definovať, ak je sledovanou fyzikálnou vlastnosťou rozdiel tepelných tokov vzorky a referenčnej látky, hovoríme o Diferenciálnej skenovacej kalorimetrii.

Obr. 1: Prístroj na diferenciálnu skenovaciu kalorimetriu (DSC), NETZSCH DSC 204. [3]

Pre túto metódu je zaužívaná skratka DSC pochádzajúca z anglického názvu „Differential Scanning Calorimetry“. Podľa konštrukcie delíme DSC kalorimetre na dva typy, a to kalorimetre s kompenzáciou výkonu a kalorimetre s tepelným tokom [1], [3]. Oblasť použitia DSC kalorimetrov je väčšinou udávaná pre teploty v rozmedzí od –180 °C do +500 °C. Horný teplotný limit je determinovaný tým, že straty tepla žiarením sú úmerné štvrtej mocnine absolútnej teploty a v dôsledku tepelných strát žiarením nad horným limitom by meraný signál zanikol v šume. [2] Metóda DSC je vhodná na meranie charakteristických teplôt fázových prechodov I. aj II. druhu ako aj na kvantitatívne stanovenie entalpických charakteristík spojených s fyzikálnymi aj chemickými premenami látok v kondenzovaných sústavách. Ďalej ju možno využiť na meranie tepelnej kapacity, stanovenie čistoty látok, popis reakčnej kinetiky a na iné špeciálne účely [4], [5]. Pri metóde diferenciálnej skenovacej kalorimetrie (obr.1), sa vzorka podrobuje lineárnemu ohrevu a rýchlosti tepelnému toku vo vzorke, ktorý je úmerný okamžitému mernému teplu.

Obr. 2: Vzorka uložená v prístroji DSC 204 NETZSCH [3]

Obr. 3: Testovacia vzorka [3]

Pri metóde diferenciálnej skenovacej kalorimetrie (obr.1), sa vzorka podrobuje lineárnemu ohrevu a rýchlosti tepelnému toku vo vzorke, ktorý je úmerný okamžitému mernému teplu. Vnútri merného plášťa, ktorý je normálne udržiavaný na izbovej teplote (cca 20 °C), sú vmontované dve symetrické nádobky (obr.2). Odporový teplomer a topný člen zabudovaný v nosiči vzorky slúži ako primárna teplotná kontrola systému. Sekundárny teplotný kontrolný systém meria teplotnú diferenciu medzi oboma nosičmi a tento rozdiel upravuje na nulovú kontrolu tepelného prúdu, ktorý je meraný. Inak sa dá povedať, že teplota vzorky je udržiavaná izotermicky so vzorkou porovnávacou (alebo blokom) dodávaním tepla do porovnávacej vzorky. Toto množstvo, potrebné k udržaniu izotermických podmienok, je zapisované (zakresľované) v závislosti na čase alebo teplote.[3] Používajú sa malé vzorky, miligramové množstvá (obr. 3), ktoré sú umiestnené na kovových fóliách, to znižuje tepelný spád na minimum. Malá tepelná kapacita celého systému dovoľuje použiť veľké rýchlosti ohrevu (desiatky K. min−1, °C. min −1) a zaisťuje veľkú rozlišovaciu schopnosť. Množstvo uvoľneného tepla je preto úmerné množstvu elektrické energie spotrebovanej na zahriatie vzorky.

Malá tepelná kapacita celého systému dovoľuje použiť veľké rýchlosti ohrevu (a to až desiatky K. min−1, °C. min−1) a zaisťuje tak veľkú rozlišovaciu schopnosť (obr.4). Množstvo uvoľneného tepla je preto úmerné množstvu elektrické energie spotrebovanej na zahriatie vzorky.

Obr. 4: Priebeh merania testovanej vzorky na prístroji NETZSCH DSC204 prostredníctvom
vyhodnocovacieho programu NETZSCH Proteus [3]
Legenda:
Z nem. jazyka „Glasübergangstemperatur“– teplota skleného prechodu (Tg)
Z angl. „Peak“– vrchol
Červená farba – testovaná vzorka (1. ohrev)
Čierna farba – testovaná vzorka (2. ohrev)
Zelená farba – testovaná vzorka

Rozdiel medzi prvým a druhým zahrievaním znamená, že počas merania môžu vzniknúť anomálie medzi vzorkou a snímačom, napr. nerovnomerné „sadnutie“ vzorky do skúšobnej hliníkovej nádoby, v druhom prípade dostávame definitívnu kryštalinitu vzorky a analýzu materiálu ako takého. Pri druhom ohreve vzorky, je zabezpečená lepšia priľnavosť vzorky a nádoby [3].

Použitá literatúra
1. HAINES, P. J.: Thermal Methods of Analysis – Principles, Applications and Problems. Blackie Academic & Professional, London 1995.
2. CHARLES A. HARPER: Handbook of Plastics Technologies. The McGraw – Hill Companies, United States of America, s. 9, 2006. ISBN 0-07-146068-3.
3. KNAPČÍKOVÁ L: Optimalizácia technologických procesov pri zhodnocovaní plastov, Dizertačná práca, TUKE FVT, s. 186, 2011.
4. ŠIMON, P., SMRČKOVÁ, E.,SVETÍK Š., CHOCHULOVÁ, A.: 5. Letná škola termickej analýzy a kalorimetrie – učebné texty. STU, Bratislava 2007.
5. Knapčíková, L, ORAVEC, P.: Characterization of fabric component from used tires with differential scanning calorimetry–1 elektronický optický disk (CD-ROM).In: MendelNet 2010: proccedings of International Ph.D. Students Conference: Brno, November 24th, 2010. Brno: Mendel University, 2010 P. 541–545. ISBN 978-80-7375-453-2.


Ing. Lucia Knapčíková, PhD.; Ing. Jozef Husár, PhD.
Fakulta výrobných technológií TU Košice so sídlom v Prešove, Bayerova
1, 080 01 Prešov, Slovenská republika
e-mail: lucia.knapcikova@tuke.sk, knapcikova.lucia@gmail.com