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차동 스캐닝 열량측정을 사용하여 엔탈피의 변화를 측정합니다.

Overview

출처: 테리 트리트 박사 연구소 — 클렘슨 대학교

차동 스캐닝 열량량법(DSC)은 열-플럭스 방법에 기초한 열역학 적 분석 방법이며, 여기서 시료 재료(팬에 밀폐)하고 빈 기준 팬은 동일한 온도 조건을 받는다. 시료와 기준팬의 열 용량의 차이로 인해 동일한 온도에서 두 팬을 유지하는 데 필요한 에너지 차이는 온도의 함수로 기록됩니다. 이러한 에너지는 방출 또는 흡수되는 기준 팬에 대하여 시료의 엔탈피 변화(Δθ)의척도이다.

Principles

DSC는 극적인 위상 변환 공정, 화학 반응, 이온화, 용매의 용액, 공실 형성 등을 위한 엔탈피(Δθ)의변화뿐만 아니라 재료 시스템의 열 용량을 측정하는 데 사용될 수 있다. 형성의 표준 엔탈피는 표준 상태에서 물질의 한 두더지가 안정된 상태에서 원소 성분으로부터 형성될 때 엔탈피의 변화로 정의됩니다. 1

DSC 측정 설정은 용광로와 시료 및 참조 팬에 지정된 위치가 있는 열전대에 연결된 통합 센서로 구성됩니다. 샘플과 참조의 온도는 분리되었지만 동일한 오븐을 사용하여 독립적으로 제어됩니다. DSC 측정은 빈 팬 및 기준을 이용한 기준 측정, 정확도를 테스트하는 표준 참조 측정 및 샘플 측정의 세 단계로 수행됩니다.

이 비디오는 탄산염의 분해를 통해 산화물의 형성의 엔탈피 측정 기술및 견본 준비 및 기술을 설명합니다.

Procedure

1. 기준측정

  1. 측정을 시작하기 전에 컨트롤러, 측정 장치, 컴퓨터 시스템, 온도 조절기 약 60 분. 퍼지 가스는 시스템에 연결되어 있어야 합니다.
  2. 두 개의 빈 도가니(뚜껑 포함)를 샘플 캐리어에 넣습니다. 도가니 물질은 측정될 온도 범위에 따라 선택될 수 있다.
  3. 용광로를 측정 위치로 이동합니다.
  4. 측정 조건(가스, 진공)을 조정합니다.
  5. 측정 프로그램을 시작합니다.
  6. 샘플을 질량 = 0을 사용하여 기준측정을 작성합니다.
  7. 오픈 온도 재보정, 개방형 감도 프로그램.
  8. 설정 온도 프로그램, 초기 온도, 가열 속도.
  9. 초기 조건과 온도 임계값을 설정합니다. 아르곤/질소 가스로 시스템을 몇 번 제거한 후 가스가 시스템을 통해 지속적으로 흐르도록 하여 유속을 일정한 속도(예: 50mL/min)로 조정할 수 있습니다.
  10. 측정을 시작합니다.
  11. DSC 측정은 시작 온도에서 초기 안정화 후 실온에서 시작됩니다. 온도 안정화는 샘플 팬및 참조 팬 및 내용물의 열 용량의 차이로 인해 오프셋을 방지하는 중요한 단계입니다. 아르곤 가스 대기 하에서 20°C/min의 꾸준한 가열률이 일반적으로 사용된다. 온도 범위는 시료 및 온도 범위에 따라 결정됩니다.

2. 시스템의 정확성을 보장하기 위한 표준 샘플 측정

  1. 용광로가 냉각된 후 측정 장치를 엽니다.
  2. 샘플 팬으로 지정된 빈 도가니를 제거합니다.
  3. 측정할 온도 범위에 따라 표준을 선택합니다.
  4. 표준을 계량합니다. 미세하게 연마된 합성 사파이어(카보룬덤, 알루미늄 산화물) 디스크는 열 용량 및 변환 엔탈피 표준으로 사용됩니다. 사파이어는 광범위한 온도에서 안정적이며 열 용량은 광범위한 온도에서 정확하게 결정되었습니다.
  5. 핀셋을 사용하여 샘플 도가니에 표준 샘플을 신중하게 삽입합니다.
  6. 용광로를 측정 위치로 이동합니다.
  7. 측정 조건(가스, 진공)을 조정합니다.
  8. 표준 측정과 보정 측정을 결합하려면 다음과 같이 진행하십시오.
  9. 샘플 질량 = x mg (표준 샘플의 질량)을 사용합니다.
  10. 오픈 온도 재보정, 열린 감도
  11. 동일한 온도 프로그램을 사용(온도 프로그램은 기준 온도 프로그램과 동일하게 유지됩니다)
  12. 측정을 시작합니다.
  13. 초기 조건과 온도 임계값을 설정합니다. 시스템을 몇 번 제거한 후, 정화 가스가 시스템을 통해 지속적으로 흐르도록 하여 유량을 조정합니다.
  14. 기준선 및 후속 표준 측정에 대한 측정 조건(예: 가열 속도, 가스, 도가니 유형)은 동일해야 합니다.
  15. 동일한 감도 및 온도 교정 파일을 사용하여 표준 샘플을 측정하는 시작 프로그램입니다.

3. 샘플 측정

  1. 샘플 표면을 연마합니다. 팬 의 바닥을 향한 평평한 샘플 표면을 놓습니다. 뚜껑을 건드리지 않고 팬에 맞는 최적의 샘플 크기를 사용합니다. 샘플은 샘플 팬과의 좋은 열 접촉을 얻기 위해 미세 하게 연마되므로 온도를 정확하게 결정하고 데이터가 덜 시즈입니다.
  2. 샘플 질량을 정확하게 측정합니다.
  3. 용광로가 냉각된 후 측정 장치를 엽니다.
  4. 도가니에서 표준 샘플을 제거합니다.
  5. 알코올을 사용하여 도가니를 청소하십시오. 표준을 대체하는 도가니에서 측정할 샘플을 삽입합니다.
  6. 3단계를 따라 샘플을 측정합니다. 기준선 측정및 후속 표준 및 시료 측정을 위한 측정 조건(예: 가열 속도, 가스, 도가니 의 종류)은 동일해야 합니다.
  7. 3단계를 따라 측정을 완료합니다.

Results

ZnCO3의 분해를 통한 ZnO 형성

일정한 압력에서 도당 엔탈피의 변화는 방정식 1에의해 주어진 일정한 압력에서 재료의 열 용량과 동일합니다. 엔탈피 변화는 방정식 2에의해 주어진 두 온도 제한 사이의 곡선 아래 영역을 추정하여 얻어진다.

(방정식 1)

(방정식 2)

특정 소프트웨어를 사용하여 곡선 아래 영역은 열 용량 측정에서 가져옵니다. DSC는 열 용량 과 엔탈 변화를 측정하는 비교적 정확한 방법을 제공합니다.

ZnO를 형성하는 아연 탄산염(ZnCO3)의분해의 대표적인 결과가 아래와 같습니다. 석회화 과정에서 ZnCO3은 ZnO가 이산화탄소를 방출하도록 분해합니다. Zn5(CO3)2(OH)6의 시작 조성물을 사용하여 약 281 °C 의 넓은 외형 피크를 사용하여 Liu et al에의해 보고되었다. 2 방정식 3에따라 H2O 및 CO2의 출시 후 .

(방정식 3)

Zn5(CO3)2(OH)6의 변혁은 곡선 아래의 영역을 계산하여 추정될 수 있으며, 다음 외동 피크에 의해 주어진 분해 지점에서. 지속적인 열 합계의 헤스의 법칙을 사용하여, ZnO의 형성의 엔탈피 추정 될 수있다.

Application and Summary

DSC의 주요 적용 영역은 비정질 폴리머의 유리 전이(Tg)이며,재료는 강성 유리 상태에서 점성 액체 상태로 변경된다. 나노 입자에 대한 제약 연구는 또한 신흥 분야이며, DSC는 나노 고체에서 비정질 또는 결정상을 정량화하는 데 사용되었습니다. 생물학 및 나노 과학 응용 프로그램에 DSC 기술의 검토는 Gill et al에 의해제공되었습니다. 3 나노 구조 지질 캐리어 (NLC)는 의학에서 잠재적인 응용 프로그램을 가지고 있으며 약물 전달 캐리어로 간주되었습니다.

열량법은 재료의 열 특성을 분석하여 물리적 또는 화학적 반응과 관련된 엔탈피 변화를 결정하는 방법이다. 칼로리계는 비정질 또는 결정상 정량화에 자주 사용됩니다. 최근에는 나노 과학 및 생화학 분야에서 DSC 측정이 사용되어 나노 크기의 바이오 분자의 열역학적 특성을 측정합니다. DSC는 또한 산화된 견본에 있는 화학변경을 분석하기 위하여 이용될 수 있습니다. 다른 금속 산화물의 형성의 엔탈피는 야금 및 산업 계산에 유용합니다.

산화물의 형성의 열의 추정은 일반적으로 특정 장비의 비싼 센서와 열전대의 손상으로 이어질 수있는 열량계 내부의 산소에 특정 금속의 연소를 필요로한다. 비독성 이산화탄소 가스를 생산하는 탄산염의 분해를 통해 석화 공정을 통해 산화물의 형성의 열추정은 해당 산화물의 형성열을 보다 간단하게 추정하는 방법을 제공한다. 탄산염의 변형의 엔탈피의 추정은 지구화학 적 공정의 모델링뿐만 아니라 기본 연구 및 산업 응용 분야에도 유용합니다.

References

  1. Robinson, J.W., Skelly Frame, E.M., Frame, GM. Undergraduate Instrumental Analysis. Marcel Decker, New York, NY. (2005).
  2. Liu, S., Li, C., Yu, J., Xiang, Q., Improved visible-light photocatalytic activity or porous carbon self-doped ZnO nanosheet-assembled flowers. CrystEngComm. 13, p 2533 (2011).
  3. Gill, P., Tohidu Moghadam, T., Ranjbar, B.  Differential Scanning Calorimetry Techniques: Applications in Biology and Nanoscience. Biomolecular Techniques. 21, 167-193 (2010).

Disclosures

이해 상충이 선언되지 않았습니다.

Tags

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0:00

Overview

1:23

Principles of Enthalpy

3:48

DSC Baseline Measurement

5:04

DSC Reference Measurement

6:22

Sample Measurement

7:10

Analysis of the DSC Data

8:42

Applications

10:56

Summary

이 컬렉션의 비디오:

article

Now Playing

차동 스캐닝 열량측정을 사용하여 엔탈피의 변화를 측정합니다.

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