CALORIMETRIA A SCANSIONE DIFFERENZIALE S I C S

CALORIMETRIA A SCANSIONE DIFFERENZIALE S. I. C. S. I. VIII Ciclo - II anno Indirizzo Scienze Naturali Corso di Laboratorio di Chimica Analitica Prof. Andini

Destinatari: alunni di un quinto anno I. T. I. Prerequisiti: fondamenti di termodinamica. Obiettivi: introdurre alle tecniche di analisi termica; individuare le temperature caratteristiche di una sostanza attraverso la lettura di un termogramma.

La calorimetria fa parte dell’insieme dei metodi di analisi termica ANALISI TERMOGRAVIMETRICA - TGA ANALISI TERMOMECCANICA - TMA CALORIMETRIA A SCANSIONE DIFFERENZIALE - DSC

ANALISI TERMOGRAVIMETRICA (TGA) Consente un'analisi quantitativa della composizione di un campione in funzione di T; non consente di identificare la natura dei componenti, ma solo di misurare quanto peso viene perso dal campione ad una certa temperatura. ANALISI TERMOMECCANICA (TMA) Misura del comportamento di un campione a sollecitazioni meccaniche in funzione della temperatura.

IL DSC consente di studiare il comportamento di una sostanza all’aumentare (o al diminuire) di T v Trasformazioni fisiche (evaporazione, fusione, cristallizzazione, transizione vetrosa, transizioni di fase) v Trasformazioni chimiche (reazioni di decomposizione, di polimerizzazione, di reticolazione, di ossidazione)

Il DSC consente di valutare: 1. La variazione di T prodotta in un campione sottoposto ad un flusso di calore. 2. L’energia necessaria per compensare il calore sviluppato (o richiesto) nel corso di una specifica transizione, in funzione di T e dell’atmosfera (inerte o reattiva) in cui viene effettuata l’analisi.

CALORE E TEMPERATURA Scambio di calore Processo tra il nostro Processo endotermico sistema e esotermico l’ambiente a P costante

Il DSC misura perciò la quantità di energia assorbita (processo endotermico) o rilasciata (processo esotermico) da un campione nel corso di un esperimento di riscaldamento/raffreddamento (processo non-isotermo) oppure nel corso di un esperimento condotto a T costante per un certo intervallo di tempo (processo isotermo).

Come funziona il DSC? • In una camera di misura ci sono due crogioli, un crogiolo vuoto, detto “riferimento”, e un crogiolo con il campione. Ogni crogiolo è posto su una resistenza indipendente. • Le resistenze controllano che il la differenza di temperatura tra i crogioli sia costante per tutto l'esperimento. Consideriamo un processo endotermico: il campione richiede maggior calore, cioè la sua resistenza deve fornire più calore rispetto a quella del riferimento: la quantità di calore in più che deve fornire è il parametro che viene misurato in un esperimento al DSC.

Termocoppia TR Riferimento N 2 Termocoppia Campione TC Wwatt 2 circuiti di riscaldamento indipendenti (sistema di controllo della differenza di energia fornita) Sistema di controllo della T differenziale (misura e regola automaticamente l’alimentazione di energia (Watt) al campione e al riferimento, in modo che DT = TC - TR = 0)

Monitoraggio Asse x Asse y - Temperatura del campione Differenza di energia di alimentazione fornita alle due resistenze DW = Wcamp - Wrif (Watt), o flusso di calore (cal/sec) /sec Watt o cal/sec T (°C)

Quando il processo è endotermico entra in funzione la resistenza del campione DW = Wcamp - Wrif > 0 Segnale positivo Quando il processo è esotermico entra in funzione la resistenza del riferimento DW < 0 Segnale negativo

Termogramma di un polimero semicristallino Linea di base Processo esotermico Processo endotermico

CRISTALLIZZAZIONE TRANSIZIONE VETROSA v v v Tg: Temperatura di transizione vetrosa Tc: Temperatura di cristallizzazione Tf: Temperatura di fusione To: Temperatura di ossidazione Td: Temperatura di decomposizione FUSIONE

Strumentazione v Intervallo di T: v Precisione: v Velocità di scansione: v Contenitori: da -170°C a +730°C da ± 0. 1 a ± 0. 01°C Al o Au da 0. 01 a 500°C/min

Dove si usa? Nel campo della ricerca, nel controllo qualità, per l’ottimizzazione di processi e analisi dei difetti v Industrie farmaceutiche, cosmetiche, tessili aerospaziali, alimentari v Industria di materiali polimerici (leghe, resine ed elastomeri)