Analiza termică sau calorimetria corelează evenimentele dependente de temperatură cu caracteristicile fizice ale unei probe, cum ar fi masa, structura, rezistența, fragilitatea, alungirea, descompunerea, gazele evoluate, oxidarea, reducerea sau structura fizico-chimică.

Dr. Angelo DePalma

Versatil, divers, instrumentare și metode

Analiza termică sau calorimetria corelează evenimentele dependente de temperatură cu caracteristicile fizice ale unei probe, cum ar fi masa, structura, rezistența, fragilitatea, alungirea, descompunerea, gazele evoluate, oxidarea, reducerea sau structura fizico-chimică. Orice proprietate care se schimbă odată cu temperatura se pretează la o variantă de analiză termică.

termice

Fiecare industrie preocupată de relația dintre energie și modul în care produsele lor se comportă în lumea reală utilizează analizoare termice. Măsurătorile termice oferă companiilor alimentare valori pentru conținutul caloric (energetic), producătorilor de materiale cu temperaturi de tranziție de fază și cercetătorilor universitari cu informații despre fazele materiei.

Măsurătorile termice sunt relevante în fiecare fază a ciclului de viață al unui produs, de la dezvoltare la fabricație, controlul calității și eliberare. „Tot ceea ce faci unui material, tot ceea ce îi adaugi, cum îl formulezi, unde îl depozitezi și cum îl bătui, toate afectează proprietatea finală livrabilă”, notează Michael Zemo, manager de piață la Mettler- Toledo (Columbus, OH). Și toate acestea sunt legate de modul în care materialul sau produsul finit tratează căldura.

Analiza termică nu se referă doar la temperaturi ridicate. Unele instrumente au o funcție de răcire care permite monitorizarea evenimentelor la temperatură scăzută, cum ar fi tranziția sticlei în polimeri.

Instrumente de cal de lucru

Calorimetria de scanare diferențială (DSC) și analiza termogravimetrică (TGA) sunt două specialități ale Particle Technology Labs (Downer’s Grove, IL), un laborator de servicii de analiză contractuală.

Particle Technology folosește DSC pentru a măsura tranzițiile sticlei, temperaturile de topire și cristalizarea. „Poate determina, de asemenea, entalpia evenimentelor endoterme și exoterme”, comentează Dave Jovanovic, analist de particule fine la companie.

TGA, o tehnică complementară, măsoară căldura asociată cu câștigul sau pierderea de masă rezultată din evaporare, oxidare/reducere sau descompunere. Analiștii folosesc adesea TGA ca pre-test pentru DSC, pentru a determina limitele de încălzire ale eșantionului înainte de analiza DSC.

Industriile farmaceutice și polimerice sunt din ce în ce mai interesate atât de TGA, cât și de DSC. Companiile medicamentoase folosesc aceste tehnici pentru a testa stabilitatea medicamentului și starea cristalină (sau lipsa acestora). De exemplu, unele medicamente funcționează mai bine într-un anumit polimorf cristalin, iar altele sunt mai eficiente într-o stare amorfă. Companiile de polimeri sunt interesate să măsoare numeroase proprietăți asociate cu căldura, cum ar fi dimensiunile și stabilitatea mecanică, stabilitatea chimică și stările fizice (de exemplu, tranziția sticlei) legate de performanța mecanică.

„Profilarea calorimetrică [analiza termică] este o tehnică foarte puternică”, spune dl. Zemo și nu doar pentru schimbări mari, cum ar fi tranzițiile solid-lichid sau lichid-gaz. „Dacă există o schimbare fizică sau chimică, o puteți ridica”.

Cu toate acestea, analiza termică funcționează cel mai bine atunci când anchetatorii știu ce caută sau măcar cunosc identitatea eșantionului. „Vedeți o mulțime de lucruri ciudate care se întâmplă în TGA când încălziți o mostră la o mie de grade Celsius”, a spus dl. Jovanovic spune Lab Manager Magazine. Deshidratarea este una ușoară, deoarece apare la 100 ° C, dar de multe ori nu puteți specula decât ceea ce se întâmplă. ”

Pentru a reduce această incertitudine, unii analizatori termici încorporează un spectrofotometru în amestec. Aceste tehnici, cunoscute în mod colectiv sub numele de analiză termo-optică, includ termospectrometria, termorefractometria, termoluminiscența și termomicroscopia.

Toate funcționează pe principiul că interacțiunea unui eșantion cu lumina se schimbă odată cu temperatura. Numeroase evenimente discrete și continue relevante din punct de vedere termic pot fi măsurate în acest mod, inclusiv cristalizarea, topirea, coroziunea, tranzițiile de fază, uscarea și polimorfismul.

Alte două limitări sunt legate: acuratețea și histerezisul. Potrivit dlui. Jovanovic, DSC-urile tipice pot greși măsurând evenimente familiare, cum ar fi fierberea sau înghețarea apei, cu +/- 0,5 ° C. Micro-DSC este ceva mai precis, deoarece încălzește probele mult mai lent. Din nou, ajută să știm ce trebuie să căutăm, în special atunci când se știe că apare capacitatea de căldură sau histerezisul legat de proces.

Diferențierea pieței

Din perspectiva sa ca producător de instrumente termice, Don Miller, președintele Specialiștilor în instrumente (Twin Lakes, WI), vede piața ca fiind „destul de oprită” din perioada de glorie de acum 15 ani. „Analiza termică este o piață matură, cu o creștere lentă, dacă există”, spune el, „și o cotă în dolari mult mai mică decât alte tipuri de instrumente.”

Pentru a se diferenția, compania oferă upgrade-uri pentru sisteme mai vechi, indiferent de producător, precum și întreținere și reparații. Aceste servicii sunt cu atât mai interesante cu cât analizatoarele termice de epocă tind să fie proprietare atât din punct de vedere hardware, cât și software. „Astăzi, nimănui nu-i pasă dacă cumpără pompa sau detectorul HPLC al altcuiva, dar analiza termică nu a fost așa. Dacă ați cumpărat un instrument, ați fost limitat la piesele și software-ul original al producătorului. ”

Specialiștii în instrumente produc și vând o gamă foarte largă de analizoare, inclusiv modele comune TGA și DSC, dar oferă și un STA (analizor termic simultan) care combină TGA și DSC într-un singur instrument, un DSC de înaltă presiune și un instrument care permite utilizatorilor să schimbe celulele TGA și DSC. Unele sisteme au capacitatea de a adăuga spectrometrie de masă sau transformate Fourier sau capabilități în infraroșu.

"Dar DSC este de departe primul vânzător, TGA urmând să ocupe locul al doilea", a spus dl. Spune Miller. În plus, cele două metode sunt complementare, măsurând proprietăți fine sau subtile, respectiv proprietăți brute.

Analiza termică poate fi o știință matură, dar asta nu i-a oprit pe producători să o modifice. Ca răspuns la solicitările clienților de încălzire și răcire mai rapidă, Mettler-Toledo a introdus DSC „flash” în 2010. Dl. Zemo descrie varietatea blițului ca „nu un înlocuitor al DSC convențional, ci complementar”. În varietatea mai obișnuită, materialele sunt scanate lent la temperatură la aproximativ 0,2 ° pe secundă, ceea ce le dă timp să reacționeze la intrarea în căldură. Cu blițul, temperaturile cresc cu sute sau mii de grade pe secundă. „Materialul nu se poate adapta”, spune dl. Zemo. „Ai un cadru de înghețare a modului în care reacționează cu adevărat la căldură.”

Flash DSC oferă informații despre lumea procesării termice rapide, de exemplu, piese din plastic turnate care se răcesc de la procesare la temperatura camerei într-o secundă. Vă ajută să răspundeți la întrebări cu privire la motivele pentru care loturile de produse nu reușesc.