گرماسنجی روبشی تفاضلی (DSC)

گرما سنجی روبشی تفاضلی (Differential Scanning Calorimetry – DSC) یکی از مهم‌ترین روش‌های آنالیز حرارتی برای بررسی رفتار مواد در برابر تغییرات دما است. در این روش، میزان جریان گرما بین یک نمونه و یک ماده مرجع در در زمان گرم یا سرد شدن اندازه‌ گیری می‌شود. به کمک دستگاه DSC می‌توان تغییرات حرارتی و شیمیایی مواد و همچنین رویدادهایی مانند دمای انتقال شیشه ای، ذوب، تبلور، تغییرات آنتالپی و پایداری اکسیداسیون را بررسی کرد.
DSC به دلیل کاربرد گسترده در صنایع پلیمر، داروسازی، پتروشیمی، صنایع غذایی و تحقیقات مواد، یکی از روش ‌های مهم برای شناسایی و ارزیابی خواص حرارتی مواد به شمار می‌رود. خروجی این آنالیز که به آن ترموگرام (Thermogram) گفته می‌شود، اطلاعاتی درباره رفتار ماده در محدوده دمایی مورد بررسی ارائه می‌کند.

تکنیک‌های آنالیز حرارتی و کاربردهای آن‌ها

آنالیز حرارتی شامل مجموعه‌ای از روش‌های مختلف است که از آنالیز توزین حرارتی(TGA)  تا آنالیز ترمومکانیکی (TMA) و آنالیز مکانیکی دینامیکی (DMA) را دربرمی‌گیرد. هر یک از این تکنیک‌ها برای بررسی ویژگی ها و کاربردهای خاصی از مواد مورد استفاده قرار می‌گیرند. در میان تکنیک‌های مختلف آنالیز حرارتی، DSC گسترده‌ترین دامنه کاربرد را برای تعیین و شناسایی ویژگی‌های حرارتی و شیمیایی مواد دارد.

+  = بسیار مناسب
±  = کمتر مناسب

گرما سنجی روبشی تفاضلی یا DSC چیست؟

در گرما سنجی روبشی تفاضلی، مقدار جریان گرما موردنیاز برای گرم یا سرد کردن یک نمونه با مقداری از یک نمونه مرجع (Inert Reference)  مقایسه می‌شود. اصطلاح «تفاضلی» در DSC به این موضوع اشاره دارد که دستگاه تفاوت جریان گرما بین نمونه و مرجع را اندازه‌ گیری می‌کند. واژه روبشی نیز به این دلیل استفاده می‌شود که نمونه در طول آزمایش، در یک محدوده دمایی مشخص گرم یا سرد می‌شود. در یک آزمایش معمولی، مقدار کمی از نمونه داخل یک Crucible  قرار می‌گیرد و در کنار آن یک کروسیبل مشابه و خالی به‌عنوان مرجع قرار داده می‌شود. دستگاه میزان انرژی موردنیاز برای گرم کردن نمونه را در مقایسه با مرجع در طول زمان اندازه‌ گیری می‌کند. این انرژی به‌صورت جریان گرما ثبت می‌شود. هنگامی که نمونه تحت یک تغییر فیزیکی یا شیمیایی قرار می‌گیرد، جریان گرما تغییر می‌کند. این تغییرات در سیگنال DSC به شکل پیک ‌هایی در ترموگرام ظاهر می‌شوند.

انواع دستگاه گرما سنجی روبشی تفاضلی

به‌طور کلی دو نوع اصلی از این دستگاه وجود دارد:

1. با شار حرارتی (Heat-Flux DSC): در این دستگاه، کروسیبل نمونه و مرجع روی حسگرهای جداگانه‌ای قرار می‌گیرند که به ترموکوپل‌ها متصل هستند و درون یک کوره با دمای کنترل ‌شده قرار دارند. اختلاف دمای میان دو حسگر با جریان گرمای موردنیاز برای حفظ شرایط گرمایش یکسان متناسب است. جریان گرما نیز با تغییرات آنتالپی و ظرفیت گرمایی ماده ارتباط دارد. با ثبت جریان گرما به‌عنوان تابعی از دما می‌توان تغییرات حرارتی را مشخص کرد و پس از انجام کالیبراسیون مناسب، پارامترهایی مانند ظرفیت گرمایی (Cp) و آنتالپی را تعیین کرد.

1. با جبران توان (Power-Compensated DSC):  در این دستگاه، کروسیبل نمونه و مرجع در کوره‌های جداگانه قرار می‌گیرند و امکان کنترل مستقل دمای آن‌ها وجود دارد. در این روش، مقدار اصلی اندازه‌ گیری‌شده توان الکتریکی موردنیاز برای نزدیک نگه داشتن دمای نمونه و مرجع به یکدیگر است. از آنجا که توان الکتریکی به‌عنوان سیگنال ثبت می‌شود، این نوع دستگاه می‌تواند نرخ‌های گرمایش و سرمایش بسیار بالایی را ایجاد کند و به مقدار کمی نمونه نیاز داشته باشد.

آنالیز حرارتی DSC برند آنتون پار مدل Julia

Julia DSC؛ دستگاه DSC با فناوری شار حرارتی

Anton Paar  دو مدل Julia DSC 300  و Julia DSC 500 را با فناوری Heat-Flux DSC  ارائه می‌کند. این دستگاه‌ها همراه با نرم‌افزار Julia Suite  برای کاربردهایی از تحقیقات و توسعه تا کنترل کیفیت طیف گسترده‌ای از مواد طراحی شده‌اند. بسته به ماژول سرمایشی مورد استفاده، محدوده دمایی این دستگاه‌ها می‌تواند از 170- تا 700 درجه سانتی‌گراد باشد. سینی ‌های قابل جداسازی ظرفیت 70  نمونه را دارند و فضای اختصاصی برای حداکثر 8 مرجع مختلف نیز در نظر گرفته شده است. همچنین هر دو مدل قابلیت تجهیز به Autosampler را دارند تا امکان کارکرد خودکار و بدون نیاز به حضور مداوم اپراتور فراهم شود.

تفاوت Julia DSC 300 و Julia DSC 500

Julia DSC 300  با ماژول خنک‌کننده هوا (ACM) کار می‌کند و محدوده دمایی 35- تا 700 درجه سانتی‌گراد را پوشش می‌دهد. در مقابل، Julia DSC 500 با تمام ماژول‌های سرمایشی موجود سازگار است و می‌تواند تا دمای 170- درجه سانتی‌گراد پایین بیاید. هر دو مدل را می‌توان به Autosampler مجهز کرد.

(NCM)(RCM)(ACM)-DSC-500

ماژول‌های سرمایشی DSC

برای Julia DSC 500 سه گزینه سرمایشی معرفی شده است:

Air Cooling Module (ACM).1

ماژول خنک‌کننده هوایی مبتنی بر فناوری پلتیر می‌تواند دما را تا 35- درجه سانتی‌گراد کاهش دهد. حداکثر دمای آن 700 درجه سانتی‌گراد است و حداکثر نرخ گرمایش و سرمایش آن به‌ترتیب 300 و 150 K/min است.

Refrigerated Cooling Module (RCM).2

RCM می‌تواند دما را تا 90- درجه سانتی‌گراد کاهش دهد و حداکثر نرخ سرمایش آن 150 K/min است. این ماژول تا دمای 700 درجه سانتی‌گراد کار می‌کند و حداکثر نرخ گرمایش آن 300 K/min است. سیستم آن نیاز به پر کردن مجدد مایع خنک‌کننده توسط کاربر ندارد و برای بررسی تغییرات حرارتی در دمای پایین، از جمله بررسی های متداول در پلیمرها، مناسب است. این ماژول فقط با Julia DSC 500  سازگار است.

Nitrogen Cooling Module (NCM).3

NCM محدوده دمایی 170- تا 600 درجه سانتی‌گراد را پوشش می‌دهد. حداکثر نرخ گرمایش آن 300 K/min و حداکثر نرخ سرمایش آن 200 K/min  است. این ماژول امکان دستیابی به دماهای بسیار پایین را فراهم می‌کند و به‌ویژه برای بررسی رفتار مواد تخصصی و تغییرات حرارتی آن‌ها در دماهای پایین مناسب است.

اصول عملکرد و تفسیر نتایج آنالیز حرارتی

در طول آزمایش، نمونه و مرجع در شرایط دمایی یکسان قرار می‌گیرند. هنگامی که نمونه هیچ تغییر حرارتی خاصی ندارد، رفتار جریان گرما نسبتا پایدار است؛ اما زمانی که یک  تغییرات حرارتی یا واکنش شیمیایی در نمونه رخ دهد، میزان جریان گرمایی موردنیاز تغییر می‌کند. برای مثال، هنگام ذوب یک ساختار بلوری، برای از بین بردن نظم ایجادشده در ساختار بلوری به انرژی نیاز است. بنابراین ذوب یک فرآیند گرماگیر محسوب می‌شود. در مقابل، هنگام تبلور، مولکول‌ ها به سمت یک ساختار منظم‌تر حرکت کرده و انرژی آزاد می‌کنند. به همین دلیل تبلور یک فرآیند گرمازا است. خروجی این آزمایش معمولا به شکل یک نمودار موسوم به ترموگرام ارائه می‌شود.

ترموگرام چیست؟

این نمودار تغییرات جریان گرما را در محدوده دمایی انتخاب‌شده نشان می‌دهد. رویدادهای حرارتی مشاهده‌شده در ترموگرام معمولا به دو گروه گرماگیر و گرمازا تقسیم می‌شوند.تفسیر صحیح ترموگرام به بررسی دقیق موقعیت، شکل و مساحت پیک‌ها و همچنین انتخاب صحیح خط پایه و گذار موردنظر وابسته است. نرم‌افزارهای تخصصی DSC می‌توانند برای تحلیل پیک‌ها، تعیین انتقال شیشه‌ای و بررسی پارامترهایی مانند OIT و OOT  مورد استفاده قرار گیرند.

کاربردهای این تست در صنایع مختلف

اگرچه DSC کاربرد گسترده‌ای در صنعت پلیمر دارد، استفاده از آن به این حوزه محدود نمی‌شود و در داروسازی، پتروشیمی و صنایع غذایی نیز کاربردهای ارزشمندی دارد. در این قسمت کاربرد آن در صنایع مختلف را بررسی می‌کنیم.

الف: صنعت پلیمر

پلیمرها از رایج‌ترین موادی هستند که با این دستگاه مورد بررسی قرار می‌گیرند. تعیین دمای انتقال شیشه‌ای، دمای ذوب و دمای تبلور می‌تواند اطلاعات مهمی درباره رفتار حرارتی پلیمر ارائه کند. این تغییرات حرارتی می‌توانند محدوده عملکردی یک پلیمر را مشخص کنند. همچنین فرآیندپذیری و عملکرد پلیمر تحت تاثیر خواص رئولوژیکی آن قرار دارد و اندازه‌ گیری‌های رئولوژیکی می‌توانند در کنار DSC برای بهینه‌سازی ساختار پلیمر مورد استفاده قرار گیرند.

ب: صنعت داروسازی

مواد دارویی نیز از جمله نمونه‌های مهم برای این آنالیز هستند. با این روش می‌توان موارد زیر را بررسی کرد:

• وجود پلی‌مورف‌ها
• تغییرات ساختاری در طول زمان
• مقدار ماده آمورف
• سازگاری دارو و مواد جانبی

نتایج این بررسی‌ها می‌توانند بر شرایط فرآوری، شرایط نگهداری و عمر مفید دارو تاثیر داشته باشند. از آنجا که در بسیاری از مطالعات دارویی مقدار نمونه موجود محدود است، حساسیت بالای دستگاه اهمیت ویژه‌ای پیدا می‌کند.

ج: صنایع پتروشیمی

برای بررسی پایداری اکسیداسیون، واکنش‌های شیمیایی، سینتیک واکنش و ترکیب مواد استفاده از روش گرماسنجی روبشی تفاضلی اهمیت دارد. همچنین بررسی OIT و OOT از کاربردهای مهم آن در مطالعه رفتار اکسیداسیونی مواد هیدروکربنی است.

د: صنایع غذایی و مواد مختلف

امکان بررسی ویژگی‌های حرارتی طیف گسترده‌ای از مواد با این روش فراهم می‌شوند و به همین دلیل در صنایع غذایی و تحقیقات مربوط به مواد نیز کاربرد دارد.

چه پارامترهایی با این تست بررسی می‌شوند؟

در میان تکنیک‌های آنالیز حرارتی، DSC از گسترده‌ترین قابلیت‌ها برای بررسی خواص حرارتی و شیمیایی مواد برخوردار است. یکی از نقاط قوت آن گستردگی پارامترهایی است که می‌توان از این طریق بررسی کرد؛ مانند:

• ظرفیت گرمایی ویژه (Cp)
• تغییرات آنتالپی
• آنتالپی ذوب و تبلور
• میزان بلورینگی
• نقطه و رفتار ذوب
• خلوص ترکیبات آلی بلوری
• رفتار تبلور و سردشدن بیش از حد
• تبخیر، تصعید و واجذب
• گذارهای جامد-جامد
• پلی‌مورفیسم
• انتقال شیشه ای و نرم‌شدن مواد آمورف (Tg)
• برخی فرآیندهای تجزیه حرارتی
• پایداری دمایی
• واکنش‌های شیمیایی
• سینتیک واکنش
• پایداری اکسیداسیونی
• آنالیز ترکیبی و مقایسه بچ‌های مختلف

اهمیت کالیبراسیون در این دستگاه

کالیبراسیون یکی از مراحل اساسی برای دستیابی به مقادیر واقعی در اندازه‌گیری است. در مدل شار حرارتی، دمای نمونه به‌صورت غیرمستقیم اندازه ‌گیری می‌شود و نه به ‌عنوان دمای واقعی خود نمونه؛ بنابراین بسته به شرایط و تنظیمات دستگاه، مقادیر اندازه‌ گیری‌شده می‌توانند با مقادیر واقعی تفاوت داشته باشند. برای کالیبراسیون، از استانداردهایی با خواص حرارتی شناخته‌شده استفاده می‌شود تا ارتباط میان مقادیر آنالیز شده توسط دستگاه و مقادیر واقعی مشخص شود.

ایندیوم (Indium) یکی از استانداردهای مورد استفاده است که نقطه ذوب آن 156.6 °C  و آنتالپی ذوب آن 28.58 J/g  است.

برای کالیبراسیون Julia DSC 300 / 500 ، حداقل دو ماده کالیبرانت برای محاسبه اصلاحات در محدوده دمایی بین آن‌ها مورد نیاز است. برای محدوده 120 تا 470 درجه سانتی‌گراد، ایندیوم و روی (Zinc) از کالیبرانت‌های رایج هستند. برای کالیبراسیون در دماهای زیر محیط نیز موادی مانند آب، n-Dodecane  و n-Octane مورد استفاده قرار می‌گیرند. انتخاب کالیبرانت باید متناسب با ماژول سرمایشی و نوع آنالیز انجام شود.

آماده‌سازی نمونه برای آنالیز

آماده‌سازی صحیح نمونه تاثیر مستقیمی بر کیفیت نتایج دارد. نوع نمونه، مقدار آن، نوع کروسیبل و نحوه قرارگیری نمونه باید متناسب با آنالیز انتخاب شوند. اکنون در مورد آماده‌ سازی انواع نمونه‌ها صحبت می‌کنیم.

• آماده‌سازی نمونه‌های پودری

پودرها معمولا مقدار قابل‌توجهی هوا در خود دارند و هوا رسانای حرارتی ضعیفی است. بنابراین برای ایجاد تماس حرارتی مناسب، توصیه می‌شود پودر داخل کروسیبل به‌خوبی فشرده شود.

مراحل کلی آماده‌سازی پودر عبارت‌اند از:

1. وزن کردن کروسیبل خالی و درپوش در صورت نیاز
2. انتقال پودر با استفاده از اسپاتول و قیف
3. فشرده کردن پودر با Push Rod
4. بستن کروسیبل در صورت نیاز
5. وزن کردن کروسیبل پرشده و تعیین جرم نمونه از اختلاف وزن

• آماده‌سازی نمونه‌های مایع

در نمونه‌های مایع باید رفتار ترشوندگی و فراریت نمونه مورد توجه قرار گیرد. برای این نمونه‌ها، کروسیبل آلومینیومی 40 و 100 میکرولیتر با درپوش‌های کاملا سیل شده توصیه می‌شوند. از دست رفتن جرم نمونه می‌تواند بر نتایج آزمون تاثیر قابل‌توجهی داشته باشد؛ بنابراین باید از تبخیر یا خروج نمونه در طول آماده‌سازی و آنالیز جلوگیری شود.

• آماده‌سازی فویل‌ها و الیاف

برای فویل‌ها و الیاف، ایجاد تماس حرارتی مناسب با کف کروسیبل اهمیت زیادی دارد. به دلیل سبک بودن این نمونه‌ها، ممکن است در کروسیبل بزرگ‌تر خم یا کج شوند. استفاده از کروسیبل 20 میکرولیتر به همراه درپوش می‌تواند تماس نمونه با کف کروسیبل را بهبود دهد و به بهبود خط پایه کمک کند.

انتخاب کروسیبل مناسب

کروسیبل یکی از اجزای مهم در آماده‌سازی نمونه برای اندازه ‌گیری است. به‌طور اصولی، پس از انجام کالیبراسیون مناسب می‌توان از انواع کروسیبل استفاده کرد، اما کروسیبل باید بر اساس نوع نمونه و کاربرد انتخاب شوند. همچنین درپوش‌های از پیش سوراخ‌ شده برای جلوگیری از افزایش فشار داخلی و تغییر شکل کروسیبل در طول آنالیز کاربرد دارند.

کروسیبل آلومینیومی شامل موارد زیر هستند:

• 20 µL:  مناسب برای مقادیر کم نمونه، به‌ویژه جامدات و پودرها
• 40 µL:  پرکاربردترین گزینه برای طیف گسترده‌ای از نمونه‌ها، از جمله مایعات
• 100 µL:  مناسب زمانی که مقدار بیشتری از نمونه موردنیاز است

چگونه یک متد اندازه‌گیری طراحی کنیم؟

تعریف یک روش دمایی مناسب یکی از مهم‌ترین مراحل پیش از انجام آنالیز DSC است. در طراحی روش باید پارامترهایی مانند دمای شروع، نرخ گرمایش و سرمایش، گاز روش و نوع آنالیز مشخص شوند. نرخ‌های استاندارد گرمایش معمولا بین 5 تا 20 K/min قرار دارند. افزایش نرخ گرمایش باعث افزایش حساسیت دستگاه و ایجاد سیگنال قوی‌تر می‌شود، اما در مقابل می‌تواند تفکیک ‌پذیری را کاهش دهد. برای دستیابی به تفکیک‌پذیری بهتر، نرخ‌های گرمایش پایین‌تر ترجیح داده می‌شوند.

انتخاب گاز نیز به نوع آنالیز بستگی دارد. برای بررسی اکسیداسیون یا تجزیه می‌توان از گازهای واکنش‌پذیر مانند هوا یا اکسیژن استفاده کرد، در حالی که برای سایر آزمایش‌ها معمولا گازهای بی‌اثر مانند نیتروژن یا آرگون مناسب هستند. از جمله بخش‌های قابل استفاده در یک روش دمایی می‌توان به حالت‌های زیر اشاره کرد:

• Isothermal: ثابت نگه داشتن دما برای مدت زمان مشخص
• Dynamic: گرم یا سرد کردن نمونه با نرخ مشخص
• Ballistic: رساندن نمونه به دمای هدف با حداکثر نرخ گرمایش
• Equilibrate: رساندن نمونه به دمای هدف و نگه داشتن آن برای 30 ثانیه
• Loop: تکرار یک بخش از روش با تغییر محدوده دمایی

استانداردهای مهم

استانداردهای مختلفی برای بررسی خواص و رفتار حرارتی مواد مورد استفاده قرار می‌گیرند. برخی از استانداردهای مرتبط عبارت‌اند از:

• ASTM D3418: تعیین دماهای گذار و آنتالپی ذوب و تبلور پلیمرها
• ASTM D3895: تعیین زمان القای اکسیداسیون پلی‌الفین‌ها
• ASTM D4591: تعیین دما و گرمای گذار فلوروپلیمرها
• ASTM D6604: تعیین دمای انتقال شیشه‌ای رزین‌های هیدروکربنی
• ASTM E537: تعیین پایداری حرارتی مواد شیمیایی
• ASTM E793: تعیین آنتالپی ذوب و تبلور
• ASTM E794: تعیین دمای ذوب و تبلور
• ASTM E928: تعیین خلوص
• ASTM E1269: تعیین ظرفیت گرمایی ویژه
• ASTM E1858: تعیین زمان القای اکسیداسیون هیدروکربن‌ها
• ASTM E2009: تعیین دمای شروع اکسیداسیون هیدروکربن‌ها
• ASTM E2602: تعیین دمای انتقال شیشه‌ای با DSC مدوله‌شده دمایی
• ASTM E2716: تعیین ظرفیت گرمایی ویژه با DSC مدوله‌شده دمایی
• ISO 11357: پلاستیک‌ها ـ گرما سنجی روبشی تفاضلی
• ISO 19935: مدوله‌شده دمایی برای پلاستیک‌ها
• ISO 22768: تعیین دمای انتقال شیشه‌ای لاستیک خام و لاتکس لاستیکی
• DIN 51007: اصول کلی آنالیز حرارتی
• USP 891: آنالیز حرارتی
• Ph. Eur. 2.2.34: آنالیز حرارتی
• JP 2.52: آنالیز حرارتی

جمع‌بندی

گرما سنجی روبشی تفاضلی یکی از مهم‌ترین تکنیک‌های آنالیز حرارتی برای شناخت رفتار مواد در برابر تغییرات دما است. این روش با اندازه‌گیری اختلاف جریان گرما بین نمونه و مرجع، امکان بررسی طیف گسترده‌ای از گذارهای حرارتی و تغییرات شیمیایی را فراهم می‌کند. از تعیین دمای انتقال شیشه‌ای، دمای ذوب و تبلور گرفته تا بررسی آنتالپی، ظرفیت گرمایی، پلی‌مورفیسم، پایداری حرارتی و اکسیداسیونی، DSC می‌تواند اطلاعات مهمی برای شناخت و مقایسه مواد ارائه دهد.گستردگی کاربرد آن در صنایع مانند پلیمر، داروسازی، پتروشیمی، صنایع غذایی و تحقیقات مواد باعث شده است این تکنیک به یکی از ابزارهای مهم در تحقیق، توسعه و کنترل کیفیت تبدیل شود.  کیفیت نتایج DSC تنها به دستگاه وابسته نیست؛ بلکه کالیبراسیون صحیح، انتخاب کروسیبل مناسب، آماده‌سازی دقیق نمونه، انتخاب نرخ گرمایش و سرمایش، انتخاب گاز مناسب و تحلیل صحیح ترموگرام همگی در دستیابی به نتایج قابل اعتماد نقش دارند.