Relatório DSC - Differential Scanning Calorimetry

Mestrado em Materiais para Engenharia

Universidade Federal de Itajubá

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DSC

 Differential Scanning Calorimetry

Samuel Rezende Bustamante       Mat.:2017102912

04/10/2017

1. Introdução

O DSC, Diferential Scanning Calorimetry, é a técnica usada para investigar a resposta de uma amostra ao aquecimento, estudando seus processos exotérmicos e endotérmicos. Esta análise é amplamente aplicável a uma variedade de matérias, como cerâmica, metais e polímeros. Desta maneira, o DSC pode ser usado para estudar o derretimento de um polímero cristalino ou a transição vítrea, sendo este o objetivo deste trabalho.

O DSC é composto por uma câmara de medição e um computador. Duas panelas são aquecidas na câmara de aquecimento, uma com o material a ser estudado e a outra é usada vazia, como referência. O computador por sua vez é usado para monitorar e controlar a variação de temperatura das panelas.

A variação de temperatura, devido ao calor fornecido ao sistema, será diferente nas panelas. Esta diferença depende da composição da amostra no interior das mesmas. O DSC fornece ao final do ensaio a curva para a análise térmica, sendo que a partir desta é possível estudar as propriedade físico-química da amostra, ou seja, de fusão e cristalização[1].

1. Fundamentos DSC

O princípio de funcionamento do DSC, Differential Scanning Calorimetry, é um equipamento que mede a diferença do calor necessário para aumentar a temperatura de uma amostra paralelamente à referência, em função da temperatura. A técnica foi desenvolvida por ES Watson e MJ O'Neill em 1960.

A diferença no fluxo de calor entre a amostra e a referência possibilita mensurar duas características. A capacidade de calorífica da amostra, que aumenta com a temperatura (linha de base) e as transições que ocorrem na amostra (eventos sobrepostos ao calor linha de base).

O equipamento pode operar de duas maneiras distintas, por Fluxo de Calor ou por Compensação de Energia.

1.   Fluxo de Calor

Consiste em um único grande forno que atua como dissipador de calor para fornecer ou absorver calor a partir da amostra. As vantagens deste modelo incluem geralmente uma melhor linha de base, sensibilidade e interação amostra-atmosfera. Os componentes principais são o recipiente de amostra (tipicamente uma panela e tampa de alumínio) que é combinado com a panela de Referência (sempre o mesmo material que a panela de exemplo, alumínio).

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Fig1. DSC com Fluxo de Calor[1].

Sendo:

1 Disco.

2 Forno.

3 Tampa.

4 Termopares diferenciais.

5 Controlador.

S Panela com a amostra.

R Panela de referencia .

Ffs Fluxo de calor do forno para a panela da amostra.

Ffr Fluxo de calor do forno para a panela de referencia.

Φm Medição do fluxo de calor.

K fator de calibração.

1. Compensação de Potência

Pequenos fornos individuais usam diferentes quantidades de energia para manter constante a variação de temperatura da amostra e da referência. A vantagem deste modelo é de apresentar um aquecimento e resfriamento mais rápidos e uma melhor resolução.

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Fig. 2 DSC com Compensação de Potência[1].

1. Materiais e Métodos

3.1         Amostra

A amostra deve ser manipulada de tal maneira a maximizar a exatidão da medição. A medição do DSC tende a ser mais fiel quando trabalha com espessura reduzida. Além das dimensões, é necessário que a amostra ocupe todo o fundo da panela, evitando assim qualquer espaço vazio.

Devido às amostras estudadas se tratarem de polímeros, deve, preferencialmente, serem cortadas ao invés de esmagadas quando manipuladas, a fim de reduzir suas dimensões. Ao esmagar a amostra polimérica, induz-se uma tensão mecânica, que tem o potencial de afetar os resultados. 

Na maioria dos casos a tampa deve ser utilizada. O uso da tampa induz a amostra a ter o melhor contato possível com a panela, desta maneira o aquecimento será feito de maneira uniforme por toda a amostra, melhorando a eficiência de todo o processo. 

3.2     Condições Experimentais

• Temperatura Inicial: Geralmente a linha de base deve ter 2 minutos para estabilizar completamente antes da transição de interesse. Portanto, a uma taxa de 10 ° C / min, a execução deve começar a pelo menos 20 ° C abaixo da temperatura de início de transição.

• Temperatura Final: Permitindo uma linha de base de 2 minutos após a transição de interesse é considerado apropriada. A fim de selecionar corretamente os limites de integração ou de análise, cuidados devem ser tomados para não decompor as amostras no DSC. Já que não afeta apenas a linha de base do desempenho, mas a vida útil da célula.

• Panela de Referência: O mesmo tipo de panela deve ser utilizado como referência e para o preparo da amostra. O material do recipiente de referência não pode sofrer nenhuma transição, na faixa de temperatura que será ensaiado.

• Taxa de Aquecimento:

                                               dH / dt = Cp * dT / dt + f (t, t)                                          (1)

Onde:

dH/dt   → Fluxo de calor medido por DSC;

Cp        → Capacidade de calor ou peso da amostra;

dT/dt    → Taxa de aquecimento;

f (t, t)    → Componente dependente ou cinética vez.

O aquecimento das amostras a baixas taxas de aquecimento aumenta a resolução, possibilitando melhor eficiência na detecção dos fenômenos físicos. 

3.3        Gás de Purga

Um sistema de gás de purga tem como objetivo fornecer uma atmosfera inerte (N2 ou Ar) ou, em certos casos reativa (O2 e ar sintético) para a realização do ensaio.