Calorimetría diferencial de barrido (DSC)

El principio que subyace a la calorimetría diferencial de barrido (DSC) es que los cambios de entalpía en un material (la cantidad de energía absorbida o liberada por una sustancia durante una reacción química o un cambio físico) pueden detectarse y medirse. Estos cambios de entalpía se pueden utilizar para caracterizar el material.

Si se produce un efecto térmico en la muestra a medida que se calienta o se enfría, la temperatura se desviará de la temperatura de referencia, que sigue a la temperatura programada. Al medir la diferencia en los cambios de entalpía entre una muestra y una referencia, DSC proporciona información valiosa sobre las propiedades físicas y químicas de la muestra.

Por ejemplo, cuando una muestra sufre un cambio de fase, absorbe o libera energía. Esto podría ser un efecto exotérmico como la cristalización, donde la muestra libera energía y se calienta más que la referencia. Esta energía es detectada por el instrumento DSC. Al medir la diferencia entre el flujo de calor de la muestra y el flujo de calor de la referencia, puede determinar el cambio de entalpía asociado con la transición de fase de la muestra.

En las curvas DSC se representa el flujo de calor en mW en función de la temperatura o el tiempo. La técnica DSC se puede utilizar para determinar muchas propiedades térmicas de los materiales mediante el análisis de la forma de la curva de flujo de calor.

Vea nuestro vídeo para descubrir las ventajas de los calorímetros diferenciales de barrido de METTLER TOLEDO.

METTLER TOLEDO ofrece dos modos de medición DSC: flujo de calor y compensación de potencia.

DSC de flujo de calor: Durante el programa de temperatura controlada, un efecto térmico en la muestra hará que su temperatura se desvíe de la temperatura de referencia. Por ejemplo, un efecto exotérmico, como la cristalización, libera energía y la muestra se calienta más que la referencia. En el flujo de calor DSC, se mide la diferencia de temperatura entre la muestra y la referencia. Para crear una curva DSC, el flujo de calor se calcula a partir de la diferencia de temperatura medida. Todos nuestros instrumentos DSC pueden medir en modo de flujo de calor.

DSC de compensación de potencia: En el modo de compensación de potencia, se mide la energía utilizada para mantener la diferencia de temperatura entre la muestra y la referencia lo más cerca posible de cero.  En el DSC 5+ de METTLER TOLEDO, esto se consigue mediante dos calentadores locales en el sensor, uno debajo del crisol de muestra y otro debajo del crisol de referencia. Durante un efecto exotérmico como la cristalización, la muestra se calienta más que la referencia. A continuación, se activará el calentador del lado de referencia, aumentando la temperatura de referencia hasta que coincida con la temperatura de la muestra.

Un efecto endotérmico en la muestra, como la fusión, absorbe energía y la muestra se enfría más que la referencia. A continuación, se activará el calentador de muestras, aumentando la temperatura de la muestra hasta que alcance la temperatura de referencia.

La cantidad de potencia introducida por los calentadores del sensor se mide con mucha precisión. Esto da como resultado una señal de flujo de calor con una resolución sobresaliente y una excelente separación de los efectos cercanos.

El calorímetro de barrido rápido de METTLER TOLEDO, el DSC Flash , también utiliza compensación de potencia.

Además del DSC por flujo de calor y por compensación de potencia, existen muchos tipos de calorímetría diferencial de barrido, cada uno con sus propias ventajas y limitaciones. La elección de la técnica DSC depende de la muestra específica que se estudie y de la aplicación.

METTLER TOLEDO es un proveedor líder de calorímetros diferenciales de barrido (DSC). Ofrecemos una cartera diversa de instrumentos DSC, cada uno diseñado con características y capacidades únicas para atender diversas aplicaciones. Explore nuestros folletos de productos ahora para encontrar la solución DSC perfecta que se adapte a sus necesidades.

La calorimetría diferencial de barrido de alta presión (HPDSC) permite estudiar el comportamiento térmico de los materiales en un entorno de alta presión mediante la introducción de un gas presurizado para generar las condiciones requeridas. Las ventajas de HPDSC incluyen tiempos de análisis más cortos debido a reacciones aceleradas y la simulación de condiciones de proceso presurizadas.

DSC de calorimetría de barrido rápido (Flash DSC)

La calorimetría de barrido rápido o calorimetría diferencial de barrido flash (Flash DSC) se utiliza para estudiar el comportamiento térmico de los materiales a velocidades de calentamiento y enfriamiento muy altas. En Flash DSC, la muestra se expone a velocidades de calentamiento de hasta 3.000.000 K/min y velocidades de enfriamiento de hasta 2.400.000 K/min, lo que permite el estudio de materiales que exhiben reacciones térmicas extremadamente rápidas y el análisis de procesos de reorganización que no son posibles con DSC convencional.

La microscopía DSC permite examinar visualmente una muestra mientras se calienta o se enfría. Esta técnica es útil cuando las curvas DSC exhiben efectos que no se pueden entender de inmediato o que generan poca o ninguna entalpía. Esto permite, por ejemplo, la identificación de transiciones sólido-sólido, los efectos de superposición y la contracción de la muestra que se va a observar.

La fotocolorimetría DSC (UV-DSC)  permite estudiar las reacciones de curado fotoinducidas, así como investigar los efectos del tiempo de exposición y la intensidad de la luz UV en las propiedades del material.

La calorimetría diferencial de barrido (DSC) funciona midiendo la cantidad de energía absorbida o liberada por una muestra (el flujo de calor) a medida que se somete a un ciclo controlado de calentamiento o enfriamiento, o se mantiene isotérmicamente a la misma temperatura. A medida que cambia la temperatura, o con el tiempo que se mantiene a una cierta temperatura, la muestra experimenta transiciones térmicas, como fusión, cristalización, transición vítrea, cambios de fase o reacciones químicas, durante las cuales se absorbe o libera energía térmica.

Utilizando un tipo especial de sensor, la calorimetría diferencial de barrido detecta la energía absorbida o liberada por la muestra durante estas transiciones o eventos. La diferencia en el flujo de calor entre una muestra y un crisol de referencia se representa en mW en función de la temperatura o el tiempo para crear una curva de medición DSC. Los cambios de entalpía asociados con los eventos térmicos aparecen como picos endotérmicos o exotérmicos en la curva.

Evaluar e interpretar la forma de la curva de flujo de calor nos permite determinar las características térmicas y el comportamiento de un material. El software de análisis térmico se utiliza para controlar el instrumento y presentar y evaluar la forma de la curva de medición.

La calorimetría diferencial de barrido (DSC) se utiliza ampliamente para investigar las propiedades térmicas de diferentes materiales, como polímeros, compuestos, productos químicos, petroquímicos, metales, cerámica, productos farmacéuticos, aceites y alimentos. Esta técnica de análisis térmico proporciona información valiosa sobre las características térmicas y el comportamiento de la muestra y se usa comúnmente para investigar nuevos materiales, análisis de fallas, estudios de seguridad y control de calidad.

Las aplicaciones comunes de la calorimetría diferencial de barrido incluyen:

• Estabilidad térmica (tiempo de inducción de oxidación, temperatura de descomposición)
• Curado y reacciones químicas
• Cinética (para el curado, la vida útil, la estabilidad)
• Polimorfismo
• Determinación de la pureza e impurezas
• Capacidad calorífica específica
• Identificación (basada en la temperatura característica de inicio de fusión o la temperatura de transición vítrea)

DSC se usa comúnmente en las siguientes industrias:

• Productos farmacéuticos: Caracterización de compuestos farmacológicos, análisis de pureza y desarrollo de formulaciones farmacológicas estables.
• Ciencia de polímeros: El estudio de las transiciones térmicas, como la transición vítrea, la cristalización y la fusión, ayuda a optimizar el procesamiento y a comprender las propiedades de los materiales.
• Ciencia de los Alimentos: Investigar el comportamiento de las grasas, almidones y otros componentes de los alimentos durante el procesamiento y el almacenamiento, para determinar la calidad y la vida útil del producto.
• Ciencia de los materiales: El análisis de las transiciones de fase en diversos materiales, desde metales y cerámicas hasta compuestos y nanomateriales, ayuda en su desarrollo y aplicación.

Descubra la completa colección de aplicaciones de análisis térmico de METTLER TOLEDO, que abarca una amplia gama de técnicas y temas analíticos.

Para utilizar un instrumento de calorímetro diferencial de barrido (DSC), primero debe preparar una muestra pequeña y medida con precisión y colocarla en un crisol o bandeja de muestras . Se puede colocar una tapa en el crisol si es necesario, dependiendo de la aplicación. Se prepara un crisol de referencia del mismo tipo y, por lo general, permanece vacío. La preparación de muestras es clave y debe realizarse correctamente, lo que se explica en este vídeo Cómo preparar muestras de DSC .

Se establece el programa de temperatura, con temperaturas de inicio y fin y velocidades de calentamiento y enfriamiento adecuadas. Se debe seleccionar el gas de horno adecuado en función de si se requiere una atmósfera inerte u oxidante. Una vez que el horno DSC ha alcanzado la temperatura inicial, la muestra y los crisoles de referencia se colocan en el horno. Esto se puede hacer de forma manual o automática con un robot de muestra. A medida que avanza el programa de temperatura, el instrumento DSC detecta la diferencia en el flujo de calor entre la muestra y los crisoles de referencia. Los resultados se representan en una curva de medición que representa los cambios de entalpía de la muestra con respecto a la temperatura o el tiempo.

Para obtener información más detallada sobre cómo utilizar los instrumentos DSC de METTLER TOLEDO, descargue el manual.

DSC (calorimetría diferencial de barrido) y DTA (análisis térmico diferencial) son dos técnicas de análisis térmico utilizadas para estudiar el comportamiento térmico de los materiales. Aunque ambas técnicas implican la medición de los cambios de temperatura en un material, difieren en la forma en que se miden estos cambios y en el tipo de información que proporcionan.

La calorimetría diferencial de barrido mide la cantidad de flujo de calor que entra o sale de una muestra a medida que se somete a un programa de temperatura controlada, proporcionando información sobre los procesos exotérmicos y endotérmicos que se producen en la muestra en función de la temperatura o el tiempo. El análisis térmico diferencial proporciona información solo sobre la diferencia de temperatura entre la muestra y la referencia.

Por lo general, la DSC es más adecuada para estudiar las transiciones de fase y las propiedades térmicas de los materiales, como los puntos de fusión, las transiciones vítreas y los cambios de entalpía. Proporciona más información sobre el comportamiento térmico de un material y, a menudo, se usa para caracterizar polímeros, productos farmacéuticos y otros materiales orgánicos.

El DTA se puede utilizar para estudiar la estabilidad térmica y el comportamiento de oxidación, como los puntos de fusión y la estabilidad térmica de los materiales inorgánicos.

Los calorímetros diferenciales de barrido (DSC) de METTLER TOLEDO no están diseñados directamente para realizar análisis térmicos diferenciales (DTA). Debido a que la DSC proporciona más información sobre las transiciones de fase, las propiedades térmicas y el comportamiento de los materiales, generalmente se recomienda la técnica DSC.

A la hora de elegir una máquina DSC, hay varios parámetros clave que debe tener en cuenta, entre ellos:

• Rango de temperatura: El rango de temperatura de la máquina DSC debe ser apropiado para su aplicación. Por ejemplo, si analiza materiales que se van a utilizar en entornos de alta temperatura, necesitará un instrumento DSC que pueda calentar la muestra a la temperatura de uso.
• Velocidad de calentamiento y enfriamiento: Deben ser apropiados para su muestra y aplicación. Algunas máquinas DSC ofrecen velocidades de calentamiento y enfriamiento más rápidas que otras, lo que puede beneficiar a algunas aplicaciones.
• Resolución: Un instrumento de alta resolución permite una separación más clara de los eventos térmicos superpuestos. Esto puede ocurrir cuando se producen múltiples transiciones o reacciones dentro de un rango de temperatura estrecho, lo que dificulta la distinción entre los eventos individuales. Los polímeros a menudo pueden exhibir transiciones térmicas superpuestas, como transiciones vítreas, puntos de fusión y cristalización.
• Sensibilidad: La sensibilidad del instrumento determina qué tan débil puede detectar un evento térmico. Si analiza muestras con efectos térmicos débiles, necesitará un instrumento DSC con alta sensibilidad.
• Capacidad de muestra: La capacidad del robot de muestra de la máquina DSC debe ser adecuada para sus flujos de trabajo. Por ejemplo, el robot de muestras para el DSC 5+ maneja hasta 96 muestras y 7 crisoles de referencia.
• Control de la atmósfera: Algunas máquinas DSC pueden ofrecer la capacidad de controlar la atmósfera del horno durante el análisis, lo que puede ser útil para analizar materiales en condiciones específicas, como una humedad controlada, o en presencia de un gas en particular o incluso un vacío.
• Software y análisis de datos: El software y las capacidades de análisis de datos de la máquina DSC deben proporcionar las herramientas necesarias para analizar sus datos. El software STAR^e™ de METTLER TOLEDO ofrece posibilidades de evaluación casi ilimitadas, ya que ofrece modularidad, flexibilidad y automatización de la medición. Este software también ayuda a las industrias reguladas a cumplir con la normativa. Todos nuestros sistemas de análisis térmico se controlan desde una potente plataforma de software.
• Presupuesto: El precio de la máquina DSC es una consideración importante, ya que debe ajustarse a su presupuesto y, al mismo tiempo, proporcionar las características y capacidades necesarias para su aplicación.

Teniendo en cuenta estos parámetros clave, puede elegir una máquina DSC adecuada para su aplicación y necesidades analíticas. Póngase en contacto con nuestros expertos hoy mismo en METTLER TOLEDO para explorar nuestras soluciones DSC y encontrar el instrumento perfecto para sus necesidades.

El gas dentro de un horno DSC juega un papel crucial en el experimento. Una atmósfera inerte como el nitrógeno, el argón o el helio evita la oxidación al proteger la muestra del oxígeno. Esto garantiza que los resultados obtenidos sean precisos y se basen únicamente en el comportamiento de la muestra. Alternativamente, puede ser necesaria una atmósfera oxidativa como el aire o el oxígeno, por ejemplo, en experimentos para determinar el tiempo de inducción de la oxidación (OIT).

Otro efecto es que la conductividad térmica del gas afecta a la velocidad a la que el calor llega a la muestra y al sensor. Por ejemplo, los gases de alta conductividad, como el helio, pueden proporcionar resultados de medición ligeramente diferentes en comparación con otros. Por lo tanto, seleccionar el gas adecuado es esencial para evitar reacciones no deseadas y garantizar resultados precisos.

Además del gas del horno, mediante el uso de un gas inerte en la cámara del crisol (que retiene las muestras hasta que comienza la medición), las muestras se protegen antes de que comience el experimento. Esto no solo evita cambios en el material de la muestra, sino que también garantiza que el peso de la muestra permanezca igual hasta que comience el análisis.

En el modo de compensación de potencia, la diferencia de temperatura entre la muestra y la referencia se mantiene lo más cerca posible de cero. En el DSC 5+ de METTLER TOLEDO, esto se consigue en un solo horno mediante dos calentadores locales situados en el sensor, uno debajo de la muestra y otro debajo de la referencia. Por ejemplo, durante el programa de calentamiento estándar, un efecto exotérmico, como la cristalización, libera energía y la muestra se calienta más que la referencia, que sigue la temperatura programada. A continuación, se activará el calentador del lado de referencia, aumentando la temperatura de referencia hasta que coincida con la temperatura de la muestra.

Un efecto endotérmico en la muestra, como la fusión, absorbe energía y la muestra se enfría más que la referencia. A continuación, se activará el calentador de muestras, aumentando la temperatura de la muestra hasta que coincida con la temperatura de referencia.

La cantidad de potencia introducida por los calentadores de sensores se mide con mucha precisión y se utiliza para trazar la curva de medición DSC. Esto da como resultado una señal de flujo de calor con una resolución sobresaliente y una excelente separación de los efectos cercanos.

El sistema de análisis térmico DSC 5+ de METTLER TOLEDO cuenta con el sensor MMS 1 MultiStar™, que le permite seleccionar el modo de compensación de potencia o flujo de calor en función de su aplicación. Contiene 136 termopares para ofrecer una sensibilidad y resolución excepcionales, lo que permite la separación de efectos térmicos cercanos.

¡Sí! Los calorímetros diferenciales de barrido de METTLER TOLEDO se pueden integrar a la perfección con una serie de accesorios, como un robot de muestras. El innovador robot de muestras DSC 5+ incluye una cámara de muestras purgada con gas para proteger las muestras del medio ambiente y funciona automáticamente sin intervención manual.

El robot de muestras puede manejar hasta 96 muestras y 7 crisoles de referencia y eliminará automáticamente los crisoles una vez finalizada la medición. Con el exclusivo sistema de manipulación de tapas, el robot de muestras es capaz de perforar la tapa de los crisoles de aluminio herméticamente sellados, o quitar la tapa protectora de los crisoles sin sellar, justo antes de que comience la medición. Esto significa que sus muestras están protegidas y la masa de la muestra no cambia antes de que comience el experimento.

También se pueden integrar muchas otras opciones y accesorios con los calorímetros de barrido diferencial de METTLER TOLEDO, incluido el kit de microscopía DSC, el kit de fotocalorimetría DSC y varios sensores cerámicos MultiSTAR DSC® de alta sensibilidad, para maximizar el rendimiento.

Además, nuestros instrumentos DSC se pueden integrar con nuestro software STARe para mejorar su análisis térmico con capacidades de evaluación sin precedentes. El diseño modular, la flexibilidad intuitiva y las funciones de automatización del software simplifican su flujo de trabajo, lo que garantiza un cumplimiento integral dentro de las industrias reguladas.

El software de análisis térmico utilizado para la calorimetría diferencial de barrido permite a los usuarios configurar y ejecutar experimentos fácilmente. Esto incluye la definición de velocidades de calentamiento/enfriamiento, rangos de temperatura y parámetros de adquisición de datos. El software debe registrar y mostrar con precisión los datos DSC sin procesar (flujo de calor frente a temperatura). También debe proporcionar herramientas de análisis esenciales, como la integración de picos, la corrección de la línea de base y el cálculo de parámetros termodinámicos comunes.

Además, los usuarios deben tener la capacidad de generar informes claros y bien organizados que resuman los datos experimentales, los resultados del análisis y las interpretaciones.

METTLER TOLEDO ofrece el software de análisis térmico STAR^e, que es el software de análisis térmico más completo y completo del mercado, que proporciona una flexibilidad inigualable y posibilidades de evaluación ilimitadas.

La calorimetría diferencial de barrido (DSC) tiene algunas limitaciones que deben tenerse en cuenta.

Por ejemplo, la resolución limitada puede dificultar la distinción entre efectos térmicos superpuestos, como múltiples picos endotérmicos o exotérmicos. En este caso, se puede utilizar el método DSC de temperatura modulada, o incluso un instrumento TMA (analizador termomecánico) o DMA (analizador mecánico dinámico).

Otra limitación potencial es que la DSC requiere un tamaño de muestra relativamente pequeño (generalmente unos pocos miligramos), que puede no ser representativo del material a granel. Las muestras pequeñas pueden dar lugar a una baja relación señal-ruido, mientras que las muestras grandes pueden no caber en los crisoles.

Los resultados de DSC pueden verse influenciados por la morfología, el área de superficie o la distribución del tamaño de partícula de la muestra. Por lo tanto, la muestra debe ser homogénea, ya que cualquier impureza o variación en la muestra puede afectar los resultados. Es necesaria una preparación cuidadosa de la muestra .

Algunos experimentos pueden requerir velocidades de calentamiento y enfriamiento extremadamente altas que no son posibles con DSC convencional. En este caso, la calorimetría de barrido rápido puede ser apropiada para materiales que exhiben eventos o reacciones térmicas muy rápidas y para estudiar procesos de reorganización que no son posibles utilizando DSC convencional.

Si bien el DSC es una técnica valiosa para el análisis térmico, es importante tener en cuenta estas limitaciones.