Transcript DSC、TGA

熱分析技術客戶訓練
Part I : DSC
PerkinElmer SVC Engineer
蔡傳盛 Sam Tsai
[email protected]
何謂熱分析?
Thermal Analysis
一種分析技術。當物質接受一個可控制溫度的程式反應,
並可以將反應結果,在溫度的作用下被計算出來。
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常用的熱分析方法
Differential Scanning Calorimetry (DSC)
Thermogravimetric Analysis (TGA)
Thermomechanical Analysis (TMA)
Dynamic Mechanical Analysis (DMA)
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常用的熱分析方法
DSC
Heat flow vs. Temp
- Tm, Tc, Tg
- DH, curing time, curing degree
- Reaction rate, kinetics
TGA
Weight Loss vs. Temp
- Decomposition temperature
- %Wt percentage
- Oxidative time
TMA
Dimensional Change vs. Temp
- CTE (a1, a2)
- Tg
- Softening point
DMA
Viscoelastic property vs. Temp
- Storage/Loss/Complex Modulus (E’, E”, E*)
- tan d
- Viscosity and master curve
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何謂DSC ?
示差掃瞄熱卡量計
( Differential Scanning Calorimeter ) :
將樣品置於特定氣氛之下改變其溫度環境或維持在一固定
溫度之中去觀察樣品其能量變化,當樣品發生熔融、蒸發、
結晶、相轉變等物理現象,或化學變化時,圖譜中將會出
現吸熱或放熱帶,進而可推測樣品之性質。
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熱示差掃瞄卡量計 (DSC) …
DSC分為:
熱功率補償式
Power Compensation
熱流式
Heat Flux
PerkinElmer是目前唯一可提供兩種DSC的領導者!
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DSC Technology 熱流式 …
DSC 4000/6000 系列
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DSC Technology 熱功率補償式…
DSC 8000/8500 系列
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Power compensation DSC與熱流式DSC的性能差異







靈敏度較高
解析度較佳
升溫及降溫速率最快
比熱、熱焓量測結果最佳
最快反應平衡時間為恆溫試驗最佳利器
高速 High Speed DSC
階段掃瞄功能 DSC
Typical DSC
furnace size
Power-compensation DSC
Ultra low-mass furnace
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DSC熱示差掃描分析儀之應用
相變化點
Phase Transition
熔融熱
DH
玻璃轉移溫度
Tg
反應熱
DH
熔點
Melting point
活化能
Ea
冷結晶溫度
Crystal Temperature
氧化導引時間
O.I.T.
降溫結晶溫度
Cold Crystal
Temperature
反應動力學
Dynamic
結晶度
Crystallinity
交連
Curing
結晶熱
Crystal Energy
純度
Purity
結晶半週期
Crystal Period
比熱
Cp
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DSC Thermal Curve
吸
熱
放
熱
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DSC 的分析重點
DSC Lab System
DSC Analyzer 主機
冷卻系統
• 循環水槽 -- 室溫以上操作
• 機械式冷凍循環系統 (Intracooler)
-- 低溫至 -35oC 或 -65oC
• 液態氮系統 -- 低溫至 -170oC
Purge gas 氣體
N2, O2, Air, He … etc.
控制軟體部分
樣品封盤前處理配件
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DSC Lab System
Example: DSC with Intracooler cooling system
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Sample Preparation
DSC Sample Pan
Various type: for solid, powder, liquid,
volatile…
Materials: Aluminum, Copper, Gold
Platinum, Alumina, Graphite
Large volume stainless
steel sample pan
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Sample Preparation
DSC Sample Crimper
High pressure
capsule sealing kit
Universal Crimper
Standard Crimper
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校正參數
溫度校正
Indium 及 Zinc 標準品之熔點
能量校正
Indium標準品熔融之吸熱熱焓DH
爐體校正
溫度選定後儀器自動校正
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Indium 溫度及能量校正
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樣品大小影響靈敏度與解析度
100
Indium
Indium
Indium
Heat Flow (mW)
75
50
25
4.998 mg
10.001 mg
20.072 mg
Peak = 158.93
Peak from: 155.50
to: 160.50
Onset = 156.51
J/g = 28.51
Peak = 158.30
Peak from: 155.50
to: 161.40
Onset = 156.56
J/g = 28.49
Peak = 157.74
Peak from: 155.50
to: 162.70
Onset = 156.54
J/g = 28.71
0
145.00
150.00
155.00
Temperature
160.00
165.00
170.00
( C)
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掃描速度影響結果解析度
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DSC數據計算方式
Peak
起始溫度Onset位置
最高波峰位置
能量
取決於Baseline
標準直線
曲線
Tg
半高
半寬
反曲線
Fictive Tg
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DSC數據計算方式 -- Peak
DSC-22
DSC數據計算方式 -- Peak
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Tg 計算方法的差異 -- Tg
PET
半比熱
75.71 oC
反曲點
78.40 oC
半寬
77.04 oC
Fictive Tg 66.40 oC
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Tg 計算方法的差異 -- Tg
Epoxy環氧樹脂
第一次加熱曲線
半比熱
74.70oC
反曲點
81.40 oC
半寬
76.40 oC
Fictive Tg 66.60 oC
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Tg 計算方法的差異 -- Tg
Epoxy環氧樹脂
第二次加熱曲線
應力釋放 Stress Release
半比熱
78.90oC
反曲點
82.70oC
半寬
78.90oC
Fictive Tg 77.80 oC
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Polymer Transitions
Stress
Relief
Heat
Flow
Tg
Tm
Cold
Crystallization
DH
Degradation
Start up
Transient
Curing
Ordering
Process
Temperature
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結晶與交聯的放熱反應
當材料發生交聯或結晶時,材料內部的亂度降低,自由能也降低成為較
穩定狀態,因此,當交聯或結晶發生時會伴隨發生放熱反應。
Tm
Stress
Relief
Tg
Heat
Flow
Cold
Crystallization
Start up
Transient
Ordering
Process
DH
Degradation
Curing
Temperature
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材料經過Tg與Tm時伴隨的吸熱反應
當材料經過玻璃轉換溫度Tg與熔點Tm時,材料內部的亂度增加,自由
能也提高成為較不穩定狀態。因此,為發生玻璃轉換及融化時必須伴隨
發生吸熱反應以增加材料內能。
Tm
Stress
Relief
Tg
Heat
Flow
Cold
Crystallization
Start up
Transient
Ordering
Process
DH
Degradation
Curing
Temperature
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Phase Transition Temperatures
Tg -- 不規則非結晶相開始運動
Tm -- 規則結晶相開始運動
Tc -- 不規則相開始轉變為
規則結晶相
(cold recrystallization )


升溫結晶
降溫結晶
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Thank you for your attention.
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熱分析技術客戶訓練
Part II : TGA
PerkinElmer SVC Engineer
蔡傳盛 Sam Tsai
[email protected]
Thermal Analysis applications - TGA
熱重分析儀
(THERMOGRAVIMETRIC ANALYZER)
將樣品置於特定環境之下改變其溫度環境或維持在一
固定溫度之中去觀察樣品其重量變化的一種技術
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TGA Design Concept
懸吊式
水平式
上置式
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TGA 的設計原理
主要元件
Temperature control device
- Furnace, Thermocouple
Weight measurement device
-Null Balance
Detector
Torque Motor
Sample
Tare Weight
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TGA Thermal Curves
DSC-36
TGA熱重分析儀
水份含量
TGA-FTIR/TGA-MS
溶劑含量
熱穩定測量
塑化劑含量
不穩定材質測試
高分子添加物含量
異味材質測試
裂解溫度
添加物種類測試
灰份含量
無機添加物含量
氧化導引時間測量
TGA-GC/MS
未知物種類判斷
混合溶劑判斷
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PerkinElmer TGA Model
TGA 4000
STA 6000 (DSC/TGA 二合一機型)
Pyris 1 TGA
標準爐 Ambient~1000 ℃
高溫爐 Ambient~1500 ℃
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STA 6000 Design
上置式設計 Top loading balance
新型 SaTurnA™ Sensor 設計
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STA 6000 Features …
 同步式 TG及DTA量測,並同時有TG、DTA(∆T)及DSC(mW)訊號輸出
 最快的降溫速率,效率最高
 最低可自 15 °C 開始測試,避免低沸點訊號損失
 內建氣體質量控制系統,可直接由軟體設定氣體流速及切換氣體
 自動取樣器Option
 Pyris軟體合乎實驗室規範 21 CFR Part 11 option
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SaTurnA Sensor - Theory of operation
同軸設計
Pan Support
將Reference與Sample之感測器整合於同一同心圓上,
縮小佔有空間,提升溫度均勻性
Reference
=> 一般水平式設計爐體需較大體積
Reference及Sample均在爐體同一位置加熱,並無水平
式之加熱位值不同所造成之DTA訊號誤差
白金材質Pan Support,高傳導、抗腐蝕
所有溫度直接量測,Performance最佳
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Pyris 1 TGA Design
紅外線感應器
+
微量天平
石英套管
進氣口
樣品盤
加熱爐體
溫度感應器(Thermocouple)
出氣口
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Pyris 1 TGA構造
紅外線感應器
+
微量天平
天平
石英套管
進氣口
石英管柱
樣品盤
爐體
加熱爐體
溫度感應器(Thermocouple)
感測器
出氣口
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Pyris 1 TGA 天平恒溫控制系統
天平元件
 影響TGA靈敏度的最大的部份
天平室恒溫控制系統
 保持天平室內元件恒溫
 降低雜訊及Drift
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Pyris 1 TGA 隔絕對流系統
對流
 降低TGA靈敏度的主要因素
隔絕對流系統
 降低不確定性
 測試結果較目前熱分析技術更佳
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Pyris 1 TGA 離子氣體抗靜電
靜電
 影響方便性及準確性
離子氣體抗靜電
 高壓放電
 解決靜電問題
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TGA 樣品盤
白金、陶瓷
不易腐蝕
易清理
抗靜電
鈍性不易與樣品反應
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TGA的分析重點
TGA Lab System
TGA Analyzer 主機
Purge gas 氣體
N2, O2, Air, He … etc.
氣體切換系統
Gas Switch, Gas station
控制軟體部分
樣品盤
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TGA Lab System
Example: Pyris 1 TGA & Optional Autosampler、Gas switch system
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Sample Preparation
TGA Sample Pan
Platinum
Ceramic
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準確、方便、快速的校正功能
居理溫度校正
溫度校正
五種磁性材料標準品
之居理溫度
 溫度準確
(一般無機粉末之保存易影響準確性)
 速度快
(一次測量五個標準值)
 應用範圍廣
(磁性材料研究)
Off set 計算
重量校正
Indium
100 mg 之標準砝碼
Nickel
爐體校正
Perkalloy
溫度選定後儀器自動
校正
Iron
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TGA 的計算方式
DSC-53
Thank you for your
attention!