Termická Thermal analýza Analysis Excellence Excellence
Flash TGADSC 1 1 e e STAR STARSystém Systém Moderní technologie Moderní technologie Všestranná modularita Všestranná modularita Švýcarská kvalita Švýcarská kvalita
Termogravimetrie pro výzkum a vývoj pro běžnou praxi i výzkum
Flash DSC Excellence
Kvantový skok v inovaci Otevírá nové horizonty Diferenční skenovací kalorimetrie, DSC, je nejdůležitější metoda v termické analýze. Měří tepelný tok k nebo od vzorku jako funkci teploty nebo času a tím umožňuje kvantitativní měření fyzikálních přechodů a chemických reakcí. Flash DSC 1 je revoluční převrat v rychlé skenovací DSC. Přístroj může analyzovat reorganizační procesy, které donedávna ještě nebylo možné měřit. Flash DSC 1 je ideální doplněk ke konvenčnímu DSC. Rychlosti ohřevu nyní pokrývají rozsah více než 7 dekád. Vlastnosti a výhody Flash DSC 1: n Ultravysoké rychlosti chlazení – umožňuje přípravu materiálů s definovanými strukturálními vlastnostmi n Ultravysoké rychlosti ohřevu – snižují dobu měření a potlačují reorganizační procesy n Rychlá odezva senzoru – umožňuje studium extrémně rychlých reakcí nebo krystalizačních procesů n Vysoká citlivost – mohou být použity i nízké rychlosti ohřevu; rychlost skenování se překrývá s konvenčním DSC n Široký teplotní rozsah – měření může být prováděno v rozsahu od -95 do 450 °C n Uživatelsky přátelská ergonomie a funkčnost – příprava vzorků je rychlá a snadná
Flash DSC 1 vám umožňuje připravovat vzorky s definovanou strukturou, které vznikají při rychlém chlazení během procesu vstřikování. Použití různých rychlostí chlazení ovlivňuje krystalizační chování a strukturu vzorků. Použití vysokých rychlostí ohřevu umožňuje analýzu materiálu bez interferencí z reorganizačních procesů – tyto procesy nemají dostatek času, aby proběhly. Flash DSC 1 je také ideální nástroj pro studium kinetiky krystalizace.
Srdcem Flash DSC 1 je čipový senzor založený na MEMS technologii. MEMS: Micro-Electro-Mechanical Systems 2
DSC senzorová technologie založená na MEMS Nepřekonatelné rychlosti ohřevu a chlazení U konvenčních DSC přístrojů je vzorek měřen v kelímku, aby byl chráněn senzor. Tepelná kapacita a tepelná vodivost materiálu kelímku však má významný vliv na výsledek měření. U Flash DSC 1 je vzorek umístěn přímo na povrchu MultiSTAR čipového senzoru. Patentovaný dynamický proudový regulační obvod umožňuje provádět měření s minimální úrovní šumu při vysokých rychlostech ohřevu a chlazení.
MultiSTAR UFS 1 Senzor Full Range UFS 1 senzor má 16 termočlánků a vykazuje vysokou citlivost a vynikající teplotní rozlišení. MEMS čipový senzor je nanesen na stabilním keramickém podkladu s elektrickými kontakty. Citlivost Vysoká citlivost je způsobena použitím 16 termočlánků, po 8 na straně vzorku a na straně reference. Termočlánky jsou uspořádány symetricky kolem plochy, na které se měří vzorek ve tvaru hvězdy, takže teploty jsou měřeny s velmi vysokou přesností. Vynikající citlivost znamená, že měření vzorků mohou být také prováděna i při velmi nízkých rychlostech ohřevu. Teplotní rozlišení Teplotní rozlišení je definováno časovou konstantou senzoru. Čím menší je časová konstanta, tím lépe mohou být od sebe separovány blízko sebe ležící tepelné efekty. Časová konstanta Flash DSC 1 je zhruba 1 milisekunda nebo zhruba 1 000 krát menší, než je tomu u konvenčních DSC přístrojů. Základní čára Revoluční vícenásobná měření teploty kolem vzorku zajišťují vynikající přesnost. Mimořádně vysoký stupeň symetrie diferenčního senzoru má za následek velice plochou a mimořádně opakovatelnou základní čáru.
Opakovatelně použitelný senzor Vzorky jsou umístěny přímo na senzoru. Použitý senzor může být uložen do boxu pro čipové senzory, takže další měření mohou být podle potřeby provedena později.
Výměna senzoru trvá méně než jednu minutu.
3
Švýcarská kvalita
Flash DSC 1 METTLER TOLEDO nejrychlejší komerční DSC
Prostředí senzoru Podložka senzoru lze vyhřívat. Při provozu při nízkých teplotách může být podložka senzoru zahřáta před vložením senzoru na teplotu místnosti. Tím se dá zabránit vzniku námrazy na zlatých kontaktech.
Terminál Velký, snadno čitelný a barevný terminál s dotykovým displejem na přední straně Flash DSC 1 indikuje stav přístroje. Pokud přístroj není hned vedle počítače, můžete vložit jednotlivé sekvence a dotazy přímo přes terminál.
Kompletní systém pro termickou analýzu Kompletní systém pro termickou analýzu obsahuje čtyři různé měřicí techniky. Každá z nich charakterizuje vzorek jiným způsobem. Kombinace všech výsledků zjednodušuje interpretaci. Kromě měření tepelného toku pomocí DSC nebo Flash DSC, měří jiné přístroje úbytek hmotnosti (TGA), změnu délky (TMA) nebo mechanické moduly (DMA). Všechny tyto veličiny se měří jako funkce teploty.
DSC
4
Flash DSC
TGA
TMA
DMA
Dokonalou ergonomii uživatel ocení Dokonalá ergonomie Při přípravě a vkládání vzorku můžete pohodlně sedět před přístrojem. Vzorek se nejdříve nařeže na malém sklíčku od mikroskopu a umístí se přes senzor. Vhodná část vzorku se pak přenese přímo na senzor a jeho správná poloha se zajistí pomocí vlasu.
AGC Thermal Book 20% Cyan Analysis
Příprava vzorku Příprava vzorku se provádí pomocí mikroskopu. Mikroskop se také používá pro přesné umístění vzorku na senzoru.
Application Handbook
Thermal Analysis in Practice Collected Applications
Významné servisní služby Společnost METTLER TOLEDO je hrdá, že nabízí vynikající přístroje a podporu potřebnou, abyste byli úspěšní ve svém pracovním oboru. Naši vyškolení servisní technici a obchodníci jsou připraveni a k dispozici pomáhat vám všemi způsoby: • Při servisu a údržbě • Při kalibraci a justování • Školením a aplikačním poradenstvím • Kvalifikací zařízení METTLER TOLEDO poskytuje také komplexní literaturu aplikace pro termickou analýzu. 5
Inovace
Neuvěřitelný výkon vede k novým výsledkům Princip měření Vysoké rychlostí chlazení a ohřevu jsou možné pouze tehdy, když je vzorek dostatečně malý a má dobrý tepelný kontakt se senzorem. Při prvním ohřevu se vzorek roztaví. Tepelný kontakt se senzorem se tak výrazně zlepší. Definované struktury vzorku tak může být dosaženo změnou rychlosti chlazení v širokém rozsahu.
Teplota
Příprava vzorku
Tvorba struktury vzorku
Analýza
Roztavení vzorku optimalizuje tepelný kontakt.
Různé rychlosti ohřevu umožňují vytvořit definovanou strukturu vzorku.
Vysoké rychlosti ohřevu potlačují reorganizaci vzorku. Může tedy být měřen v původním stavu
Čas
Při druhém ohřevu se vzorek již nemá čas reorganizovat kvůli vysoké rychlosti ohřevu. Mimořádně široký rozsah rychlostí chlazení a ohřevu umožňuje měřit různé struktury vzorků v jednom experimentu.
Princip čipového senzoru Tak na straně vzorku tak na straně reference jsou dvě odporová topná tělesa, která spolu vytvářejí požadovaný teplotní program. Menší topné těleso je určeno pro řízení kompenzace (dynamické řízení kompenzace). Tepelný tok se měří pomocí dvou sad po 8 termočláncích uspořádaných symetricky kolem měřící plochy na straně vzorku i na referenční straně senzoru.
1. Keramická deska 2. Silikonový rámeček 3. Připojovací drátek
4 Odporové topné těleso 5. Hlinková podložka (oblast vzorku) 6. Termočlánek
Homogenní distribuce tepla Plocha pro měření vzorku čipového senzoru je vyrobena ze nitridu křemíku a oxidu křemíku potaženého tenkou vrstvičkou hliníku. Tím je dosaženo mimořádně homogenní teplotní distribuce na senzoru. Malá aktivní měřicí plocha je přibližně 2,1 μm tenká, takže časová konstanta je určena hlavně vzorkem.
6
Optimalizovaný vyhodnocovací software přináší efektivnost do laboratoře Softwarová podpora V typickém Flash DSC experimentu jsou naměřené výsledky analyzovány jako funkce rychlosti ohřevu nebo rychlosti chlazení nebo izotermního času. Experiment je běžně prováděn velice rychle. Příprava vzorku vyžaduje poněkud více času. Vyhodnocení a interpretace zabere nejvíce času, ale zároveň je to ta nejzajímavější práce z celého experimentu.
STARe software byl rozšířen, aby splňoval nové požadavky. Např. složitý měřicí programs je nastaven během několika minut a může být efektivně vyhodnoceno velké množnaměřených křivek.
n Výběr segmentů křivky – Při otevření měření můžete vybrat pouze segmenty, o které se zajímáte. n Vyhodnocení více křivek – Vyberte křivky, klikněte na vyhodnocení a ihned budete mít k dispozici výsledky. n Rychlé nastavení funkční tabulky prokládací funkcí – Aktivujte výsledek: Jedním kliknutím zkopírujte vybrané výsledky do tabulky. Nyní vyberte prokládací funkci a vyhodnocení je hotovo.
Reorganizace polyetylen tereftátu (PET) Mnoho polymerů vykazuje reorganizační efekty na naměřených DSC křivkách během ohřevu. Křivky ale nezobrazují tání krystalů původně přítomných ve vzorku. To je prokázáno použitím vzorku PET, kterému bylo umožněno krystalizovat při 170 °C po dobu 5 minut před ochlazením na teplotu místnosti. Naměřené křivky při rychlostech ohřevu mezi 0.2 K/s a 1 000 K/s vykazují dva píky. Pík při nižší teplotách se se zvyšující se rychlostí ohřevu posunuje k vyšším teplotám (modrá šipka). Tento pík nastává, když tají původní krystaly. Pík při vyšších teplotách se posouvá k nižším teplotám (červená šipka). Tento pík je způsobován táním krystalů vznikajících při reorganizaci struktury materiálu během měření. Při rychlosti ohřevu 1 000 K/s je sledován pouze jeden pík. Nad touto rychlostí ohřevu prakticky neprobíhá žádná reorganizace.
7
Modularita a rozšíření Mnoho možností Příslušenství mikroskopu Mikroskop můžete přizpůsobit podle svých potřeb. K dispozici jsou dvě možnosti: 1. 2. nými možnostmi osvětlení a kamerami.
Binokulární tubus 45°
ErgoModule®
Camera kit
Binokulární ErgoTube ®
ErgoTube ® 45°
ErgoWedge®
ErgoWedge®
Camera kit
Video modul
M50 (Step)
Držák filtru
Video/foto tubus
Video/foto tubus
M60 (Zoom)
Kryt světla
M80 (Zoom)
Teplotní rozsah a možnosti chlazení IntraCooler je elektrické chladicí zařízení s uzavřeným chladicím systémem. Odpařené chladivo je zkapalněno pomocí kompresoru a výměníku tepla. K dispozici jsou tři teplotní rozsahy: Chlazení vzduchem:
RT … 450 °C
IntraCooler (1 stupeň)
-35 … 450 °C
IntraCooler (2 stupně)
-95 … 420 °C
8
Efektivita Díky praktickému příslušenství Box na čipové senzory Protože čipové senzory mohou být použity pouze pro jeden vzorek, je vhodné je bezpečně ukládat v krabičce, pokud chcete provést více měření s tím samým vzorkem. Díky tomu nemusíte používat vždy nový senzor. V senzorovém boxu může být uloženo až 10 senzorů s usazeným vzorkem pro následné experimenty.
Standardní příslušenství Následující nástroje potřebné pro přípravu tenké vrstvičky jsou dodávány s přístrojem jako standardní příslušenství: • nůž s náhradními břity • lancetová jehla • pinzeta • kožený hadřík • brusný kámen • štěteček • držák vlasů • skleněná podložka a • indium pro kalibraci
Mikrotom (volitelné příslušenství) Mikrotom může být použit pro přípravu 10 až 30 μm tenkých vrstviček materiálu, například z malých kousků granulí polymeru. Vrstvičky pak mohou být nařezány na malinké kousky vzorku pro analýzu pomocí dodaného nože.
9
Aplikační síla
Nové materiály pro budoucnost Flash DSC zná odpověď Flash DSC 1 je ideální doplněk pro charakterizaci moderních materiálů a optimalizaci výrobních procesů pomocí termické analýzy.
Polymery, polymorfní látky a mnoho kompozitních materiálů a směsí má metastabilní struktury, které závisí na podmínkách chlazení použitých při jejich výrobě. Během může dojít k reorganizačním procesům jako je tání nebo rekrystalizace nestabilních krystalů nebo separace fází. Vliv reorganizace na křivku ohřevu může být analyzován změnou rychlosti ohřevu.
Rychlá měření šetří čas při analýze a vývoji materiálů. Kvalita produktů může být výrazně zlepšena znalostí vzniku struktur při skutečných rychlostech chlazení v provozu. Data mohou být použita pro simulační výpočty a optimalizaci výrobních podmínek.
Flash DSC může simulovat technické procesy, ve kterých nastává rychlé chlazení. Tím se získávají informace o vlivu aditiv (např. nukleační činidla) za podmínek blízkých provozu. Izotermní měření poskytují informace o kinetice přechodů a reakcí, které probíhají po dobu několika sekund.
Aplikační možnosti Flash DSC • Podrobná analýza procesů týkajících se tvorby struktury v materiálech • Přímá měření rychlých krystalizačních procesů • Stanovení reakční kinetiky rychlých reakcí • Výzkum mechanismu působení aditiv v podmínkách blízkých výrobě • Kompletní termická analýza materiálů ve velmi krátkém čase • Analýza velmi malých vzorků • Stanovení dat pro simulační výpočty
10
Tání india při různých rychlostech ohřevu Tání india (1 μg) bylo měřeno při různých rychlostech ohřevu v rozmezí od 0,05 K/s do 10 000 K/s. Stejně jako v konvenčním DSC, přestup tepla mezi senzorem a vzorkem (tepelné zpoždění) ovlivňuje naměřený onset teploty, Ton. Bez korekce se Ton zvyšuje lineárně s rostoucí rychlostí ohřevu. Stejné je to i u Flash DSC 1. Pro možnost zobrazení velkého rozsahu rychlostí ohřevu je v diagramu zobrazena osa x logaritmicky. Z toho důvodu se lineární funkce jeví jako křivka (modrá).
Krystalizace izotaktického polypropylénu (iPP) při chlazení V technických procesech jako je vstřikování, jsou vstřikované materiály ochlazovány rychlostí několika set K/s. Pro optimalizaci jejich vlastností je důležité mít informace o jejich krystalizačním chování při těchto vysokých rychlostech. Tyto informace mohou být získány z Flash DSC experimentů s chlazením, podle horního obrázku. Dolní obrázek zobrazuje teplotu krystalizačních píků izotaktického polypropylenu (iPP) jako funkci rychlosti chlazení. Teplota píků se posouvá při vyšších rychlostech chlazení směrem k nižším teplotám. Konvenční DSC 1 (červené body) byly použity pro rychlosti chlazení mezi 0.1 K/min a 60 K/min (0.0017 K/s a 1 K/s) a Flash DSC 1 pro rychlosti mezi 0.5 K/s a 1 000 K/s. Teploty píků souhlasí s jinými v oblasti, kde se rychlosti chlazení obou přístrojů překrývají. Nad 50 K/s je tvorba mezofáze pozorována při teplotě asi 30 °C ve druhém krystalizačním procesu (modré body). Při rychlostech chlazení nad 1 000 K/s, krystalizace neprobíhá. Materiál zůstává zcela amorfní se skelným přechodem kolem -10 °C. Kompletní krystalizační chování je pomocí Flash DSC 1 změřeno za méně než 30 minut.
11
Reorganizace amorfního iPP Amorfní izotaktický polypropylén (iPP) je vyráběn z taveniny chlazením rychlostí 4 000 K/s. Získaný materiál byl měřen při rychlostech ohřevu mezi 5 K/s a 30 000 K/s. Skelný přechod nastává právě pod 0 °C a je následován exotermním píkem způsobeným krystalizací za studena. Krystaly tají nad 100 °C. Při vyšších rychlostech ohřevu jsou píky krystalizace za studena. posunuty k vyšším teplotám a píky tání k nižším teplotám. Od 1 000 K/s nahoru se plocha píků znatelně zmenšuje až při rychlosti 30 000 K/s reorganizace ve vzorku neprobíhá vůbec.
Izotermní krystalizace iPP Měření chování při izotermní krystalizaci izotakticképho polypropylénu (iPP) byla tavenina nejprve ochlazena na různé krystalizační teploty mezi 110 °C a -20 °C rychlostí 2 000 K/s. Za těchto podmínek neprobíhá žádná tvorba struktury. Poté byly krystalizační procesy měřeny izotermně. Exotermní krystalizační píky mají svá maxima při časech mezi 0.05 s a 10 s. Reciproký čas píku je měřítkem rychlosti krystalizace a je zobrazen jako funkce krystalizační teploty. Výsledná křivka vykazuje maximum při asi 20 °C. Při těchto nízkých teplotách probíhá krystalizace velice rychle. Krystalizační proces se týká homogenní nukleace. Naměřené křivky také vykazují změny krystalizační kinetiky s teplotou.
12
Nanoplniva v PA Vlastnosti polyamidu 11 (PA 11) mohou být optimalizována přidáním nanočástic a použitím vhodných zpracovatelských podmínek (např. vstřikováním nebo vytlačováním). Vliv plniv při aktuálních rychlostech chlazení ovlivňuje velikost krystalů a tím také ovlivňuje mechanické vlastnosti materiálu. Tři vzorky PA 11 s obsahem nanoplniv 0%, 2.5% a 5% byly měřeny při různých rychlostech chlazení na Flash DSC 1 a na konvenčním DSC 1. Entalpie krystalizace při nízkých rychlostech chlazení je konstantní až do 50 K/s, ale při vyšších rychlostech chlazení se zmenšuje. Při 200 K/min vzorek už nekrystalizuje. Vliv rychlosti chlazení na přítomnost plniv začíná být jasný, když jsou teploty píku zobrazeny jako funkce rychlosti chlazení. Při rychlostech chlazení pod 0,3 K/s (20 K/min) krystalizuje nejprve neplněný PA 11. Při technologicky důležitých rychlostech chlazení tyto změny a nanočástice urychlují krystalizaci.
Tání a rozklad organických látek Stanovení chování při tání organických je složité, pokud v oblasti tání probíhá také jejich rozklad. Při vysokých rychlostech ohřevu se rozkladné reakce posouvají k vyšším teplotám a je umožněna separace dvou blízkých efektů. Na vedlejším obrázku je jako příklad uveden sacharin. Při rychlostech ohřevu mezi 50 K/s a 100 K/s se tání a rozklad překrývají. Při vyšších rychlostech ohřevu jsou píky separovány.
13
Flash DSC 1 Specifikace Teplotní data Teplotní rozsah
Chlazení vzduchem
RT + 5 K) … 500 °C
IntraCooler (1-stupeň)
-35 °C … 450 °C
IntraCooler (2-stupně)
-95 °C … 420 °C
Rychlosti chlazení (typické)
-6 K/min. (-0.1 K/s) … -240 000 K/min (-4 000 K/s)
Rychlosti ohřevu (typické)
30 K/min. (0.5 K/s) … 2 400 000 K/min (40 000 K/s)
Sensorová data Materiál senzoru
Keramika
Termočlánky
16
Časová konstanta signálu, dusík
0.001 s
Velikost vzorku
10 ng … 1 µg
DSC Senzor Typ senzoru
Ultra-fast-sensor 1. generace
Pmax signál tepelného toku
20 mW
Šum signálu tepelného toku
rms < 0.5 µW (typický)
Izotermní drift signálu tepelného toku
< 5 µW/h (typický)
Drift základní čáry tepelného toku (prázdný senzor)
< 100 µW/h (typický)
Terminál Dotykový displej
Barevný TFT, VGA 640 x 480 pixel
Generace signálu Rozlišení
0.005 K (0 °C … 250 °C) 0.01 K (-100 °C … 400 °C)
detekce signálu Vzorkovací rychlost
Max. 10 kHz (10 000 bodů za sekundu)
Rozlišení teplotního signálu
2.5 mK
Šum teplotního signálu
rms < 0.01 K (typický)
Komunikace S osobním počítačem (PC)
Ethernet
Rozměry Rozměry přístroje (šířka x hloubka x výška)
45 cm x 60 cm x 50 cm
Schválení IEC/EN61010-1:2001, IEC/EN61010-2-010:2003 CAN/CSA C22.2 No. 61010-1-04 UL Std No. 61010A-1 EN61326-1:2006 (třída B) EN61326-1:2006 (průmyslové prostředí) FCC, Part 15, třída A AS/NZS CISPR 22, AS/NZS 61000.4.3 Značka shody: CE
www.mt.com Pro více informací
Česko
Mettler-Toledo, s. r. o. Třebohostická 2283/2, 100 00 Praha 10 Tel.: +420 226 808 150, Fax: +420 226 808 170 Servis: +420 226 808 163, E-mail:
[email protected]
Mettler-Toledo, s.r.o. AG, Třebohostická 2283/2 Slovensko Mettler-Toledo s. r. o. 100 00 Praha 10 Hattalova 12, 831 03 Bratislava Česká republika Tel.: +421 2 44 44 12 20, 22, Fax: +421 2 44 44 12 23
Servis: Tel.: +420 226 808+421 150 2 44 44 12 21, E-mail:
[email protected] Fax: +420 226 808 170 E-mail:
[email protected] Technické změny vyhrazeny, 51725315 © 01/2013 Mettler-Toledo, s.r.o. Vytištěno v České republice
Certifikát kvality. Vývoj, výroba a testování ve shodě ISO 9001.
Systém ochrany životního prostředí podle ISO 14001. “Evropská shoda”. Značka shody CE vám poskytuje jistotu,že naše výrobky jsou v souladu s nejnovějšími směrnicemi EU.
