Dans le monde de la science des matériaux, un instrument capable de capturer avec précision les variations de chaleur d'une substance stimule tranquillement l'innovation dans des domaines allant des produits en plastique à la recherche et au développement pharmaceutiques. Calorimètre à balayage différentiel, un instrument d'analyse thermique qui mesure la différence de puissance entre l'échantillon d'essai et la température de référence à une température contrôlée par programme. Il est capable de déterminer quantitativement les différents effets thermiques d'une substance pendant le chauffage ou le refroidissement, tels que la fusion, la cristallisation, la décomposition oxydative, etc., jusqu'à un niveau de 0,01 microwatt.

I. principe de fonctionnement du calorimètre à balayage différentiel DSC:

Le principe de base du DSC est d'obtenir des informations en comparant les différences de comportement thermique d'un échantillon par rapport à un produit de référence dans le même programme de température. Selon le mode de réalisation, il est principalement divisé en deux grandes catégories de DSC de type à compensation de puissance et de DSC de type à flux thermique. Le modèle DSC à compensation de puissance se caractérise par des échauffeurs et des capteurs indépendants pour les échantillons et les références. Lorsqu'un effet thermique se produit sur l'échantillon (p. ex., absorption de chaleur), le système ajuste immédiatement la puissance de chauffage de sorte que la température de l'échantillon et du produit de référence soit toujours constante. Cette puissance de compensation reflète directement la variation des propriétés thermiques de l'échantillon. Cette conception est basée sur le principe de l'équilibre dynamique du zéro, la vitesse de réponse est rapide, la stabilité de base est bonne et convient à l'étude du processus de changement de phase rapide. Le DSC à flux de chaleur utilise un seul four de chauffage pour chauffer simultanément l'échantillon et la référence, mesurer la différence de température (Δt) entre les deux à l'aide d'un capteur haute sensibilité, puis convertir en différence de flux de chaleur en fonction du coefficient de flux de chaleur pré - calibré. La structure DSC de type flux de chaleur est relativement simple, la flexibilité de préparation d'échantillon est élevée et présente des avantages pour la détection d'effets thermiques faibles tels que la transition vitreuse. Les deux types de DSC finissent par produire une courbe DSC – un diagramme de relation avec le débit de chaleur (DH / DT) en ordonnée et la température ou le temps en abscisse. Les pics ou les marches sur la courbe représentent chacun un événement thermique différent, tandis que la surface des pics est directement proportionnelle à la variation enthalpique thermique (Δh) et peut être calculée quantitativement.

Indicateurs techniques et structure de l'équipement du calorimètre à balayage différentiel DSC: la base de la mesure de précision

Un DSC typique intègre un système de contrôle de température précis, une unité de détection sensible et un environnement atmosphérique stable. Ses paramètres techniques de base déterminent la limite supérieure de performance de l'instrument. La plage de température est l'indicateur de base du DSC et couvre une large gamme de températures allant du froid profond à la chaleur. La plage de température typique pour les instruments conventionnels est de - 170 ℃ à 800 ℃, et certains modèles haute performance peuvent être aussi bas que - 270 ℃ ou aussi haut que 1500 ℃ pour répondre aux besoins de recherche de matériaux spéciaux. La vitesse de montée et de descente en température est également un paramètre clé, généralement réglable entre 1 et 20 ℃ par minute, certains modèles pouvant atteindre 500 ℃ / min, ce qui est particulièrement important pour l'étude des processus de réaction rapide. La résolution et la sensibilité sont au cœur de la performance DSC. Avec des résolutions de température allant jusqu'à 0,1 ° C et des niveaux de bruit aussi bas que 0,01 μw, les DSC modernes sont capables de détecter des effets thermiques extrêmement faibles, offrant la possibilité de développer des matériaux haute performance. La structure de l'équipement de DSC comprend principalement un four de chauffage, une unité de réfrigération, des capteurs, un système de contrôle de l'atmosphère et un système de traitement du signal. Le four de chauffage fournit un champ de température uniforme; Système de réfrigération (refroidissement par air, réfrigération mécanique ou réfrigération à l'azote liquide) permettant un refroidissement rapide; Les systèmes de contrôle d'atmosphère peuvent fournir des environnements gazeux inertes ou réactifs pour répondre à différents besoins expérimentaux.

Iii. Processus opérationnel et points d'expérimentation: de la préparation de l'échantillon à l'interprétation des données

L'obtention de données DSC fiables nécessite le respect de pratiques opérationnelles strictes. La préparation de l'échantillon est la première étape, l'échantillon est généralement transformé en une poudre uniforme ou en petits morceaux qui sont placés dans une boîte d'échantillons après une pesée précise (généralement 1 à 10 mg). Trop peu de volume d'échantillon peut provoquer un signal faible, trop peut provoquer un gradient de température qui affecte la résolution. L'étalonnage des instruments est un lien essentiel pour garantir l'exactitude des données. L'étalonnage périodique de l'axe de température et de l'axe de flux de chaleur avec une substance étalon de haute pureté (par exemple, Indium: point de fusion 156,6 ° C, chaleur de fusion 28,45 J / g) élimine les erreurs du système. Les DSC modernes sont généralement équipés d'un programme d'étalonnage automatique qui simplifie ce processus. Les paramètres expérimentaux doivent être soigneusement pris en compte. Le taux de montée en température est l'un des paramètres les plus importants: un taux trop rapide déplace la température de l'effet thermique vers le côté chaud et la forme du pic s'élargit; Un taux trop lent prolonge l'expérience. La vitesse usuelle est choisie entre 5 - 20°C / min. Les conditions atmosphériques sont également essentielles, une atmosphère inerte telle que l'azote étant utilisée pour empêcher l'oxydation de l'échantillon, tandis qu'une atmosphère oxydante est utilisée pour étudier la réaction d'oxydation elle - même. L'analyse des données est la dernière étape de l'application du DSC. La transition vitreuse se manifeste par un décalage en escalier de la ligne de base; Le pic de fusion est un pic endothermique; Les réactions de cristallisation et d'oxydation sont alors majoritairement des pics exothermiques. La surface du pic est directement proportionnelle à la variation enthalpique thermique, la position du pic indique la température de transition, tandis que la forme du PIC fournit des informations cinétiques.

Avec les progrès scientifiques et technologiques, la technologie DSC est passée d'un outil de recherche en laboratoire à un pont important reliant la recherche scientifique fondamentale aux applications industrielles. De la conception moléculaire de nouveaux matériaux au contrôle qualité du produit final, les informations thermiques fournies par DSC sont toujours essentielles pour comprendre le comportement des matériaux.