ZL-3047A Calorimetria differenziale a scansione (DSC) È una tecnica analitica utilizzata per misurare il calore rilasciato o assorbito da un campione durante il riscaldamento o il raffreddamento in un intervallo di temperatura specifico. Oltre a caratterizzare le proprietà termiche dei materiali, la DSC viene utilizzata anche per determinare le temperature alle quali si verificano specifiche transizioni di fase, tra cui la temperatura di transizione vetrosa, la fusione e gli eventi di cristallizzazione.
Per eseguire un esperimento di calorimetria differenziale a scansione, è necessario uno strumento in grado di fornire l'intervallo di temperatura necessario per il test e di monitorare con precisione le variazioni di temperatura e flusso di calore.
A strumento DSC a flusso di calore consiste in un forno in cui vengono posizionati il campione e il materiale di riferimento. Il campione è incapsulato in un contenitore metallico (tipicamente alluminio), mentre il riferimento è solitamente un contenitore vuoto. Il forno viene riscaldato o raffreddato e si osservano le caratteristiche del flusso termico al variare della temperatura. Informazioni quantitative sul flusso termico possono essere ricavate dalla differenza di temperatura misurata tra il campione e il riferimento.
Dopo tutta questa discussione tecnica, potreste ancora chiedervi: cos'è esattamente la DSC? Oggi, analizziamola in parole semplici per comprenderne il principio fondamentale.
In altre parole, lo strumento DSC contiene due porzioni al suo interno:
•Uno contiene il tuo campione
•Mentre l'altro tiene un “materiale di riferimento” (tipicamente un crogiolo inerte e vuoto che non subisce variazioni termiche).
Ecco perché:
Immagina di cucinare e di voler rilevare se qualcosa nella padella è cambiare (come scottare una bistecca). Hai:
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Pan A: Contiene il tuo campione (ad esempio, una bistecca)
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Pan B: Vuoto (solo la padella)
Riscalda entrambe le padelle identicamente su stufe separate ma identiche.
Se monitori solo Pan A:
Vedi la sua temperatura aumentare, ma tu non posso dirlo:
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La padella stessa assorbe calore?
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La bistecca sta cuocendo (reazione endotermica)?
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Oppure è solo una fluttuazione della potenza della stufa?
→ Non si impara nulla sul comportamento della bistecca da soli!
Ma se confrontiamo Pan A con Pan B:
Quando Pan A si riscalda Più lentamente (perché la bistecca assorbe calore per cuocere) mentre la padella B si riscalda normalmente → Ti rendi conto:
"Aha! Qualcosa nella Pan A sta assorbendo calore: sta subendo un cambiamento fisico (come la fusione o la transizione vetrosa)!"
Questo è il principio “differenziale”:
Non stai misurando calore assoluto in Pan A—stai seguendo il differenza di flusso di calore tra Pan A e Pan B.
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Tipo di materiale |
Applicazioni DSC primarie |
Parametri comuni |
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Fibre (ad esempio, fibre di poliestere e nylon) |
– Analizzare il comportamento della cristallizzazione (cristallinità) – Valutare l’adeguatezza dei processi di trattamento termico/post-filatura – Controllare la coerenza tra lotto e lotto |
Tg, Tm, Picco di cristallizzazione a freddo, Cristallinità |
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Film (ad esempio, pellicole BOPP, PET) |
– Studiare le differenze di comportamento termico prima/dopo lo stretching biassiale – Analizzare la distribuzione del punto di fusione (rilevare fasi polimorfiche) – Indagare la relazione tra termosaldabilità e cristallinità |
Tg, Tm, Cristallinità, Larghezza del picco di fusione |
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Plastica generale (ad esempio, PP, PE, ABS) |
– Determinare il rapporto cristallino/amorfo – Identificare i tipi di materie prime (Tg/Tm come “impronte digitali”) – Valutare gli effetti di fusione/modifica |
Tg, Tm, ΔH (fusione), ΔH (cristallizzazione) |
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Adesivi (ad esempio, epossidico, PUR) |
– Valutare il grado di reazione/indurimento – Analizzare la densità dei legami incrociati – Distinguere i tipi termoplastici da quelli reattivi – Misurare Tg per prevedere l’intervallo di temperatura di servizio |
Tg, Picco esotermico, Calore di reazione residuo |
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Gomme (ad esempio, EPDM, SBR, silicone) |
– Correlare Tg con prestazioni dinamiche – Valutare le variazioni della densità dei legami incrociati |
Tg, spostamento Tg, effetti della storia termica |
La figura seguente è una tipica curva DSC che mostra quattro tipi di transizioni:
Il coefficiente di temperatura è →
Ⅰ Per una transizione secondaria, si tratta di una modifica della linea di base orizzontale.
Ⅱ Per quanto riguarda il picco di assorbimento del calore, esso è causato dalla fusione o dalla transizione di fusione del campione in esame.
Ⅲ Il picco di assorbimento del calore è causato dalla reazione di decomposizione o scissione del campione in esame.
Ⅳ è il picco esotermico, che è il risultato della transizione di fase cristallina del campione
Interpretazione degli assi del grafico DSC
Asse X (asse orizzontale)
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Rappresenta: Temperatura
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Unità: Gradi Celsius (°C)
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Spiegazione: Semplice: mostra l'andamento della temperatura durante il riscaldamento/raffreddamento.
Asse Y (asse verticale)
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Rappresenta: Flusso di calore (chiamato anche Potenza termica)
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Unità: Milliwatt (mW)
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Spiegazione chiave:
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L'asse Y fa non mostra la temperatura o l'energia totale.
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Misura il differenza di flusso di calore tra il campione e la piastra di riferimento per mantenere la stessa velocità di riscaldamento.
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Esempio:
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Se il DSC legge Flusso di calore = 8 mW, significa:
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Il campione è assorbire calore (endotermico).
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Lo strumento sta fornendo 0,008 J/s in più al campione (rispetto al riferimento) per mantenere entrambi i riscaldamenti alla stessa velocità.
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Pendenza (tasso di variazione del flusso di calore)
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Definizione: Quanto velocemente cambia il flusso di calore per unità di temperatura/tempo.
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Interpretazione:
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Pendenza in salita più ripida → L'assorbimento del calore sta accelerando (ad esempio, fusione improvvisa).
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Pendenza più piatta → Il flusso di calore cambia gradualmente.
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Pendio più ripido in discesa → Il rilascio di calore aumenta (ad esempio, inizia una reazione esotermica).
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Nota: La direzione “positiva” o “negativa” dei picchi su una curva DSC non è assoluta: dipende dallo strumento impostazione della direzione del flusso di calore.
Di seguito sono elencati alcuni degli standard internazionali a cui DSC si conforma.
| Norma n. | Ambito di applicazione | Contenuto chiave |
| Norma ISO 11357 | Test DSC delle materie plastiche | Transizione vetrosa (Tg), fusione (Tm), cristallizzazione, stabilità ossidativa |
| ASTM E967 | Calibrazione della temperatura DSC | Calibrazione della temperatura utilizzando materiali di riferimento (ad esempio, indio, zinco) |
| ASTM E968 | Calibrazione del flusso di calore DSC | Calibrazione del segnale di flusso di calore tramite entalpia di fusione |
| JIS K 7121 | Norma industriale giapponese (equivalente a ISO 11357) | Metodi di base per l'analisi termica delle materie plastiche |
Standard specifici per i materiali
Polimeri
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Norma ISO 11357-3: Misurazione della cristallinità
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ASTM D3418: Tempi di fusione/cristallizzazione ed entalpia
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ASTM D7426: Analisi Tg della gomma
Prodotti farmaceutici
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USP <891>: Validazione dell'analisi termica
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ICH Q6A: Rilevamento del polimorfo (DSC è il metodo principale)
Metalli
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ASTM E794: Determinazione del punto di fusione del metallo
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Norma ISO 17851: Comportamento di ossidazione
Metodi specializzati
| Standard | Tipo di test | Esempio di applicazione |
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| Norma ISO 11357-6 | Tempo di induzione all'ossidazione (OIT) | Stabilità dei tubi in polietilene |
| ASTM D3895 | Test OIT su poliolefine | Efficacia additiva |
| Norma ISO 11357-4 | Misurazione della capacità termica | Materiali compositi |
Calibrazione e convalida
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Norma ISO 11357-1: Calibrazione DSC di base
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ASTM E2716: Procedure di convalida dei dati
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NIST SRM 720: Standard di capacità termica dello zaffiro
