چکیده

روش‌های آنالیز حرارتی به‌طور گسترده برای بررسی کیفی و کمّی اثر حرارت بر مواد مختلف از جمله ترکیبات شیمیایی، پلیمرها (لاستیک، پلاستیک و کامپوزیت)، سرامیک‌ها، آلیاژها، مواد معدنی، غذا و دارو به‌کار گرفته می‌شوند. در میان این روش‌ها، گرماسنجی پویشی تفاضلی[1] یکی از پرکاربردترین‌ها به شمار می‌رود. اساس این روش بر اندازه‌گیری واکنش‌های شیمیایی ناشی از تغییرات دما استوار است. در DSC، جریان حرارت آزاد شده در طول فرآیندهای شیمیایی بر حسب تغییرات دما در زمان مشخص ثبت می‌شود. عوامل متعددی همچوت نوع نمونه، جنس بوته، شیب دمایی و نوع اتمسفر بر دقت و کیفیت نتایج تأثیرگذار هستند. در این پژوهش، اثر جنس بوته بر کیفیت نتایج در شرایط آزمایشی یکسان بررسی شده‌است.

 

کلمات کلیدی: کالریمتری، گرماسنج روبشی تفاضلی، آنالیز حرارتی، بوته آلومینیومی.

 

مقدمه

آنالیز حرارتی از مهم‌ترین ابزارهای مطالعه رفتار مواد در برابر تغییرات دما به شمار می‌رود و اطلاعات ارزشمندی در زمینه خواص فیزیکی و شیمیایی آن‌ها فراهم می‌سازد. در میان روش‌های مختلف آنالیز حرارتی، گرماسنجی روبشی تفاضلی جایگاه ویژه‌ای دارد، زیرا امکان بررسی دقیق فرآیندهایی همچون انتقال‌های فازی، واکنش‌های شیمیایی و پایداری حرارتی را فراهم می‌کند. با وجود دقت بالای این روش، عوامل متعددی بر کیفیت و صحت نتایج تأثیرگذار هستند که یکی از مهم‌ترین آن‌ها انتخاب بوته[2] مناسب است. بوته نه تنها محفظه‌ای برای نگهداری نمونه محسوب نمی‌شود، بلکه به‌عنوان عنصری کلیدی در انتقال حرارت و ثبت دقیق تغییرات نقش دارد [1]. بنابراین، انتخاب صحیح بوته می‌تواند تفاوتی اساسی میان داده‌های قابل اعتماد و نتایج همراه با خطا ایجاد کند. در این مقاله، با مرور مطالعات پیشین و تکیه بر شواهد علمی، راهکارهایی برای انتخاب بهینه بوته ارائه می‌شود تا امکان تحلیل دقیق‌تر رفتار حرارتی مواد فراهم شود.

اهمیت انتخاب بوته

انتخاب بوته مناسب در آنالیزهای حرارتی از اهمیت ویژه‌ای برخوردار است، زیرا ویژگی‌های فیزیکی و شیمیایی بوته به‌طور مستقیم بر دقت، صحت و تکرارپذیری نتایج اثر می‌گذارد. در واقع، هر یک از عوامل بوته می‌تواند موجب تغییر در وضوح پیک‌ها، حساسیت دستگاه و حتی صحت تفسیر داده‌ها شود که در ذیل به آنها اشاره شده‌است:

• انتقال حرارت: هدایت حرارتی بوته (λ) توانایی دستگاه در شناسایی تغییرات کوچک آنتالپی را تعیین می‌کند.
• ثابت زمانی[3]: بوته‌هایی با ثابت زمانی کوتاه، مانند آلومینیوم، پیک‌های باریک‌تری ایجاد کرده و تفکیک‌پذیری بالاتری فراهم می‌کنند.
• تعامل شیمیایی: برخی مواد، مانند مس یا طلا، ممکن است با نمونه واکنش دهند و منجر به نتایج غیرقابل اعتماد شوند.

جدول (1) مقادیر رسانایی گرمایی (λ)، نفوذپذیری گرمایی و ظرفیت گرمایی ویژه (Cp) چند ماده پرکاربرد شامل آلومینیوم، پلاتین، آلومینا (Al₂O₃)، مس، نقره و طلا را نشان می‌دهد. مقایسه این داده‌ها اهمیت انتخاب جنس بوته را آشکار می‌سازد؛ به‌عنوان مثال، آلومینیوم، مس و نقره به دلیل رسانایی گرمایی بسیار بالا، انتقال حرارت سریع و یکنواخت‌تری ایجاد می‌کنند، در حالی که آلومینا با رسانایی پایین‌تر اما پایداری حرارتی بالاتر برای شرایط دمایی شدید مناسب‌تر است. همچنین، ظرفیت گرمایی ویژه و نفوذپذیری گرمایی هر ماده در تعیین سرعت پاسخ حرارتی و دقت نتایج آزمایش نقش کلیدی دارد.

جدول (1): داده‌های ترموفیزیکی برخی بوته‌های معمول در دمای اتاق [1].

ماده	رسانایی گرمایی λ ((m.K)/W)	نفوذپذیری گرمایی (mm2/s)	ظرفیت گرمایی ویژه Cp (J/(gK))
آلومینیوم	(1) ۲۳۷	(3) 8/98	(1) 9/0
پلاتین	(1) 6/71	(3) 25	(1) 13/0
آلومینا (α)Al2O₃	(3) 28	(2) 2/10	(2) 76/0
مس	(1) 404	(3) 117	(1) 39/0
نقره	(1) 429	(3) 173	(1) 23/0
طلا	(1) 317	(3) 2/127	(1) 13/0

مقایسه عملکرد بوته‌های مختلف

انتخاب جنس بوته در آنالیز حرارتی نه تنها بر میزان انتقال حرارت و وضوح سیگنال‌ها اثر می‌گذارد، بلکه دامنه‌ دمای کاری و پایداری شیمیایی را نیز تعیین می‌کند. هر ماده به‌ کار رفته در ساخت بوته دارای ویژگی‌های خاصی است که می‌تواند در شرایطی مزیت و در شرایطی محدودیت ایجاد کند. به همین دلیل، شناخت مزایا، معایب و حوزه‌ کاربرد هر نوع بوته برای انتخاب صحیح و دستیابی به نتایج دقیق ضروری است. در ادامه، ویژگی‌های سه جنس پرکاربرد بوته‌ها شامل آلومینیوم، طلا و پلاتین مقایسه شده‌اند:

• بوته آلومینیومی ((m·K)/W 237 = λ)
• مزایا: دارای هزینه پایین، هدایت حرارتی بالا، مناسب برای بیشتر پلیمرها و داروها؛
• معایب: محدودیت دمایی (بیشینه مقدار، 610 درجه سانتی‌گراد)؛
• کاربرد: ایده آل برای بررسی تغییرات فاز در داروها و پلیمرها.
• بوته طلا ((m·K)/W 317 = λ)
• مزایا: از نظر شیمیایی بی‌اثر و مناسب برای نمونه‌های حساس [2]؛
• معایب: هزینه بالا، ثابت زمانی طولانی‌تر؛
• کاربرد: مناسب برای آنالیز مواد با حساسیت بالا نسبت به کاتالیزورهای فلزی.
• بوته پلاتین ((m·K)/W 6/71 = λ)
• مزایا: مقاومت حرارتی بالا (بیش از 640 درجه سانتی‌گراد)؛
• معایب: احتمال تشکیل آلیاژ با برخی نمونه‌ها؛
• کاربرد: مناسب برای آنالیز مواد در دماهای بسیار بالا.

 

نوآوری در طراحی بوته

• بوته‌های مقعر[4]: طراحی ویژه این بوته‌ها با ایجاد تماس حلقوی بهینه با حسگر، انتقال حرارت یکنواخت‌تری فراهم می‌کند و موجب افزایش دقت و تکرارپذیری نتایج می‌شود. این طراحی به‌ویژه در آنالیز نمونه‌های حساس یا تغییرات فازی جزئی، امکان تشخیص دقیق‌تر پیک‌ها و تفکیک بهتر فرآیندهای حرارتی را فراهم می‌آورد. علاوه‌بر این، تقعر بوته باعث کاهش نقاط سرد و داغ محلی می‌شود و اثرات گرادیان حرارتی را به حداقل می‌رساند.
• بوته‌های با حجم کم (۲۰ میکرولیتر): کاهش جرم بوته موجب افزایش حساسیت نسبت به تغییرات کوچک انرژی می‌شود و امکان شناسایی دقیق‌تر انتقالات فازی جزئی و واکنش‌های حرارتی کم انرژی را فراهم می‌کند. این ویژگی به‌ویژه در مطالعات مواد گران‌قیمت یا نمونه‌های با حجم محدود اهمیت دارد، زیرا هم مصرف نمونه را کاهش می‌دهد و هم کیفیت داده‌های حرارتی را بهبود می‌بخشد. نمایی از بوته مقعر روی یک حسگر کرونا در شکل 1 مشاهده می شود.

ترکیب این نوآوری‌ها در طراحی بوته‌ها، عملکرد DSC را به شکل قابل توجهی بهبود می‌بخشد. استفاده از بوته‌های مقعر و با حجم کم، هم‌زمان حساسیت، تکرارپذیری و وضوح پیک‌ها را افزایش می‌دهد و امکان بررسی دقیق رفتار حرارتی مواد را حتی در نمونه‌های کوچک و حساس فراهم می‌کند. به این ترتیب، انتخاب هوشمندانه طراحی بوته به یکی از عوامل کلیدی در دستیابی به داده‌های معتبر و قابل اعتماد در تحقیقات مدرن تبدیل شده‌است.

شکل (1): نمایی از بوته مقعر روی یک حسگر کرونا. تقعر بوته آلومینیومی در تصویر بزرگ‌نمایی شده‌است (در واقع، عمق آن تنها 10 میکرومتر است) [2].

 

تأثیر بوته بر نتایج واقعی

مطابق شکل (2)، در مطالعه انجام ‌شده روی ایندیم، استفاده از بوته آلومینیومی نسبت به بوته‌های آلومینیوم اکسید (Al₂O₃) و پلاتین، منجر به پیک‌های بلندتر و تفکیک‌پذیری بهتر شده است.

شکل (2): نمودار DSC مربوط به نمونه ایندیم با جرم تقریبی 2/7 میلی‌گرم، در نرخ گرمایش ۱۰ کلوین بر دقیقه و در اتمسفر نیتروژن. در این نمودار، مرحله دوم گرمایش (از مجموع چهار مرحله) برای هر یک از بوته‌های آلومینیومی (Al)، آلومینا یا آلومینیوم اکسید (Al₂O₃) و پلاتینی (Pt) نمایش داده شده‌است [2].

شکل (3) نمودار مربوط به نمونه پلی‌اتیلن ترفتالات[5] که در بوته‌های آلومینیومی (مقعر، منحنی آبی) و بوته‌های آلومینیوم اکسید (Al₂O₃، خط‌چین قرمز) ثبت شده‌است. نتایج DSC نشان می‌دهد که استفاده از بوته‌های آلومینیومی منجر به پیک‌هایی با شدت بالاتر و پهنای باریک‌تر می‌شود. این موضوع بیانگر انتقال حرارت یکنواخت‌تر و حساسیت بالاتر بوته‌های آلومینیومی نسبت به تغییرات فازی است. در مقابل، بوته‌های آلومینیوم اکسید به دلیل هدایت حرارتی پایین‌تر، موجب کاهش وضوح پیک‌ها و پهن‌تر شدن آن‌ها می‌شوند که می‌تواند تفکیک‌پذیری حرارتی را محدود کند. بنابراین، در مطالعاتی که هدف اصلی، شناسایی دقیق دماهای انتقال و بررسی جزئیات رفتار حرارتی است، انتخاب بوته‌های آلومینیومی به‌ویژه در طراحی‌های مقعر، مزیت قابل ‌توجهی نسبت به بوته‌های سرامیکی دارد.

شکل (3): نمودار DSC مربوط به پلی‌اتیلن ترفتالات (PET) با جرم نمونه در بازه 4/7 تا 2/8 میلی‌گرم، در نرخ گرمایش ۲۰ کلوین بر دقیقه و در اتمسفر نیتروژن. در این نمودار، مرحله دوم و سوم گرمایش (از مجموع چهار مرحله) ارائه شده‌است [2].

 

راهکارهای عملی در انتخاب بوته

انتخاب بوته مناسب در آنالیز حرارتی، یک تصمیم فنی و کاربردی است که باید براساس ماهیت نمونه، شرایط آزمایش و هدف پژوهش اتخاذ شود. در واقع، نوع بوته می‌تواند تعیین‌کننده‌ وضوح پیک‌ها، دقت در شناسایی تغییرات فازی و حتی قابلیت اطمینان داده‌ها باشد. توجه به عواملی نظیر دامنه‌ دمایی، واکنش‌پذیری شیمیایی نمونه و حساسیت دستگاه نسبت به تغییرات انرژی، راهنمای اصلی در انتخاب صحیح بوته است. بر این اساس، توصیه‌های عملی زیر برای شرایط مختلف قابل ارائه هستند:

• نمونه‌های معمولی: بوته‌های آلومینیومی سبک با هدایت حرارتی بالا بهترین گزینه محسوب می‌شوند، زیرا علاوه‌بر هزینه پایین، امکان دستیابی به نتایج پایدار و قابل ‌اعتماد را فراهم می‌کنند.
• دمای بالا: در آزمایش‌هایی که نیازمند دماهای بسیار زیاد هستند، بوته‌های پلاتینی یا آلومینیوم اکسید (Al₂O₃) مناسب‌ترند؛ زیرا پایداری حرارتی این مواد مانع از تخریب یا تغییر خواص بوته در شرایط سخت می‌شود.
• نمونه‌های واکنش‌پذیر: در مواردی که نمونه دارای واکنش‌پذیری شیمیایی بالاست، استفاده از بوته‌های طلا یا سرامیکی توصیه می‌شود. این مواد به ‌دلیل بی‌اثر بودن شیمیایی، از ایجاد واکنش‌های ناخواسته بین بوته و نمونه جلوگیری می‌کنند.
• حداکثر تفکیک پیک: برای آزمایش‌هایی که نیازمند دقت بالا در تشخیص و تفکیک تغییرات فازی هستند، به‌ویژه در مواد حساس، بوته‌های مقعر با طراحی ویژه بیشترین کارایی را دارند؛ زیرا تماس بهینه با حسگر و انتقال حرارتی یکنواخت‌تری را ایجاد می‌کنند.

 

نتیجه‌گیری

انتخاب صحیح بوته نقش تعیین‌کننده‌ای در کیفیت و دقت نتایج آنالیز حرارتی دارد و می‌تواند تفاوت میان یک آزمون معمولی و یک تحلیل دقیق و منحصربه‌فرد را رقم بزند. در نظر گرفتن عواملی همچون هدایت حرارتی، پایداری شیمیایی و طراحی فیزیکی بوته، امکان دستیابی به داده‌هایی با وضوح بالاتر و تفسیر علمی معتبرتر را فراهم می‌کند. به‌ویژه در مطالعات حساس که شناسایی جزئیات تغییرات فازی یا بررسی دقیق واکنش‌های حرارتی مدنظر است، انتخاب بوته مناسب می‌تواند کلید دستیابی به نتایج قابل اعتماد و تکرارپذیر باشد. این اصول در صنایع و حوزه‌های مختلف کاربردی هستند؛ از جمله در صنعت داروسازی برای بررسی تغییرات فاز داروها، در تحلیل پلیمرها و مواد پلیمری پیشرفته به‌منظور مطالعه رفتار حرارتی و فرآیندهای کریستالیزاسیون، و در مطالعات مواد پیشرفته و سرامیکی برای تعیین ویژگی‌های حرارتی و پایداری در دماهای بالا. به این ترتیب، انتخاب آگاهانه بوته، نه تنها دقت آزمایش را افزایش می‌دهد، بلکه به بهبود فرآیندهای تحقیق و توسعه و ارتقای کیفیت محصولات صنعتی نیز کمک می‌کند.

مراجع

[1] Gygax, R., 1988, Thermische Prozess-Sicherheit, ISCRE 10.

[2] Graham S Arthur and Craig Williams Syngenta,2004, Huddersfield Manufacturing Centre, PO Box A38 Leeds Road, Huddersfield, HD2 1FF

 

The Effect Of Crucible Type On Differential Scanning Calorimetry (DSC) Measurements

 

Abstract

Thermal analysis techniques are used to qualitatively and quantitatively analyze the effect of heat on various types of materials, including chemical compounds, polymers (rubber, plastic, and composites), ceramics, alloys, minerals, food, and drugs. One of the most widely used thermal analysis techniques is differential scanning calorimetry (DSC). The analysis and analysis of compounds in this method is based on chemical reactions that occur due to temperature changes. The DSC analytical method stands for thermal scanning calorimetry, which measures the heat released during a chemical process. In fact, heat flow is measured in terms of temperature changes over a given time. Various factors such as the type of sample, the type of crucible, the temperature gradient, the type of atmosphere, etc. affect the quality of the results. This article examines the effect of the type of crucible on the quality of the results under the same conditions.

 

Keywords: Thermal Analysis, DSC, Al Crucible, Differential Scanning Colorimetry.

[1] Differential Scanning Colorimetry (DSC)

[2] Crucible

[3] Time Constant

[4] Concavus

[5] Polyethylene Terephthalate (PET)

 

برای مشاهده متن کامل این مقاله در فصلنامه شبکه آزمایشگاهی ایران به این لینک مراجعه نمایید.

جهت ثبت آنالیز حرارتی DSC و TGA در آزمایشگاه اکسیر تجهیز آزما، در تماس با ما ثبت کنید.

جهت مشاهده مقالات بیشتر کلیک کنید.