Calorimetria Exploratória Diferencial (DSC)

O princípio subjacente à calorimetria exploratória diferencial (DSC) é que as alterações de entalpia em um material (a quantidade de energia absorvida ou liberada por uma substância durante uma reação química ou mudança física) podem ser detectadas e medidas. Essas alterações de entalpia podem ser usadas para caracterizar o material.

Se ocorrer um efeito térmico na amostra à medida que esta é aquecida ou arrefecida, a temperatura desviar-se-á da temperatura de referência, que segue a temperatura programada. Ao medir a diferença nas mudanças de entalpia entre uma amostra e uma referência, o DSC fornece informações valiosas sobre as propriedades físicas e químicas da amostra.

Por exemplo, quando uma amostra sofre uma mudança de fase, ela absorve ou libera energia. Isso poderia ser um efeito exotérmico, como a cristalização, onde a amostra libera energia e se torna mais quente que a referência. Essa energia é detectada pelo instrumento DSC. Medindo a diferença entre o fluxo de calor da amostra com o fluxo de calor da referência, você pode determinar a mudança de entalpia associada à transição de fase da amostra.

Os resultados do DSC são plotados como uma curva de fluxo de calor em mW em função da temperatura ou do tempo. O DSC pode ser usado para determinar muitas propriedades térmicas de materiais analisando a forma da curva de fluxo de calor.

Assista ao nosso vídeo para descobrir os benefícios dos calorímetros diferenciais de varredura da METTLER TOLEDO.

A METTLER TOLEDO oferece dois modos de medição DSC: FLUXO DE CALOR e COMPENSAÇÃO DE ENERGIA.

DSC de fluxo de calor: Durante o programa de temperatura controlada, um efeito térmico na amostra fará com que sua temperatura se desvie da temperatura de referência. Por exemplo, um efeito exotérmico, como a cristalização, libera energia, e a amostra torna-se mais quente do que a referência. No DSC de fluxo de calor, mede-se a diferença de temperatura entre a amostra e a referência. Para criar uma curva de medição DSC, o fluxo de calor é calculado a partir da temperatura diferente medida. Todos os nossos instrumentos DSC podem medir no modo de fluxo de calor.

DSC de compensação de energia: No modo de compensação de energia, mede-se a energia utilizada para manter a diferença de temperatura entre a amostra e a referência o mais próximo possível de zero.  No DSC 5+ da METTLER TOLEDO, isso é conseguido por dois aquecedores locais no sensor, um abaixo do cadinho de amostra e outro abaixo do cadinho de referência. Durante um efeito exotérmico como a cristalização, a amostra torna-se mais quente do que a referência. O aquecedor do lado de referência será então ativado, aumentando a temperatura de referência até que corresponda à temperatura da amostra.

Um efeito endotérmico na amostra, como fusão, absorve energia e a amostra torna-se mais fria do que a referência. O aquecedor de amostra será então ativado, aumentando a temperatura da amostra até atingir a temperatura de referência.

A quantidade de energia introduzida pelos aquecedores sensores é medida com muita precisão. Isso resulta em um sinal de fluxo de calor com excelente resolução e excelente separação de efeitos próximos.

O calorímetro de varredura rápida da METTLER TOLEDO, o Flash DSC também usa compensação de energia.

Além do fluxo de calor e compensação de energia DSC, existem muitos tipos de calorimetria diferencial de varredura, cada um com suas próprias vantagens e limitações. A escolha da técnica de DSC depende da amostra específica a ser estudada e da aplicação.

A METTLER TOLEDO é uma fornecedora líder de calorímetros diferenciais de varredura (DSC). Oferecemos um portfólio diversificado de instrumentos DSC, cada um projetado com recursos e capacidades exclusivas para atender a várias aplicações. Explore agora as nossas brochuras de produtos para encontrar a solução DSC perfeita que se adapte às suas necessidades.

A calorimetria exploratória diferencial de alta pressão (HPDSC) permite que o comportamento térmico de materiais seja estudado em um ambiente de alta pressão, introduzindo um gás pressurizado para gerar as condições necessárias. As vantagens da HPDSC incluem tempos de análise mais curtos devido a reações aceleradas e a simulação de condições de processo pressurizadas.

Calorimetria de varredura rápida DSC (Flash DSC)

A calorimetria de varredura rápida ou Calorimetria Diferencial de Varredura Flash (Flash DSC) é usada para estudar o comportamento térmico de materiais a taxas de aquecimento e resfriamento muito altas. No Flash DSC, a amostra é exposta a taxas de aquecimento de até 3.000.000 K/min e taxas de resfriamento de até 2.400.000 K/min, permitindo o estudo de materiais que apresentam reações térmicas extremamente rápidas e a análise de processos de reorganização que não são possíveis usando DSC convencional.

A DSC-Microscopia permite que uma amostra seja examinada visualmente enquanto é aquecida ou resfriada. Esta técnica é útil quando as curvas DSC exibem efeitos que não podem ser imediatamente compreendidos ou que geram pouca ou nenhuma entalpia. Isso permite, por exemplo, a identificação de transições sólido-sólido, efeitos de sobreposição e o encolhimento da amostra a ser observada.

A fotocolorimetria por DSC (UV-DSC)  permite estudar reações de cura foto-induzidas, bem como investigar os efeitos do tempo de exposição e da intensidade da luz UV nas propriedades do material.

A calorimetria diferencial de varredura (DSC) funciona medindo a quantidade de energia absorvida ou liberada por uma amostra (o fluxo de calor) à medida que ela é submetida a um ciclo de aquecimento ou resfriamento controlado, ou mantida isotermicamente na mesma temperatura. À medida que a temperatura muda, ou com o tempo mantido a uma determinada temperatura, a amostra sofre transições térmicas, como fusão, cristalização, transição vítrea, mudanças de fase ou reações químicas, durante as quais a energia térmica é absorvida ou liberada.

Usando um tipo especial de sensor, a calorimetria diferencial de varredura detecta a energia absorvida ou liberada pela amostra durante essas transições ou eventos. A diferença no fluxo de calor entre uma amostra e um cadinho de referência é plotada em mW em função da temperatura ou do tempo para criar uma curva de medição de DSC. As alterações de entalpia associadas aos eventos térmicos aparecem como picos endotérmicos ou exotérmicos na curva.

Avaliar e interpretar a forma da curva de fluxo de calor permite determinar as características térmicas e o comportamento de um material. Um software de análise térmica é usado para controlar o instrumento, apresentar e avaliar a forma da curva de medição.

A calorimetria exploratória diferencial (DSC) é amplamente utilizada para investigar as propriedades térmicas de diferentes materiais, como polímeros, compósitos, produtos químicos, petroquímicos, metais, cerâmicas, produtos farmacêuticos, óleos e alimentos. Esta técnica de análise térmica fornece informações valiosas sobre as características térmicas e o comportamento da amostra e é comumente usada para pesquisa de novos materiais, análise de falhas, estudos de segurança e controle de qualidade.

Aplicações comuns da calorimetria exploratória diferencial incluem:

• Estabilidade térmica (tempo de indução de oxidação, temperatura de decomposição)
• Cura e reações químicas
• Cinética (para cura, prazo de validade, estabilidade)
• Polimorfismo
• Determinação de pureza e impurezas
• Capacidade térmica específica
• Identificação (com base na temperatura característica de início de fusão ou temperatura de transição vítrea)

O DSC é comumente usado nas seguintes indústrias:

• Produtos farmacêuticos: Caracterização de compostos de fármacos, análise de pureza e desenvolvimento de formulações estáveis de fármacos.
• Ciência de polímeros: Estudar transições térmicas, como transição vítrea, cristalização e fusão, ajuda a otimizar o processamento e entender as propriedades do material.
• Ciência de Alimentos: Investigar o comportamento de gorduras, amidos e outros componentes de alimentos durante o processamento e armazenamento, para determinar a qualidade e a vida de prateleira do produto.
• Ciência dos Materiais: Analisar transições de fase em diversos materiais, desde metais e cerâmicas até compósitos e nanomateriais, auxilia no seu desenvolvimento e aplicação.

Descubra a coleção abrangente de aplicações de análise térmica da METTLER TOLEDO, cobrindo uma ampla gama de técnicas e tópicos analíticos.

Para usar um instrumento de calorímetro diferencial de varredura (DSC), primeiro você precisa preparar uma amostra pequena e medida com precisão e colocá-la em um cadinho ou panela de amostra . Uma tampa pode ser colocada no cadinho, se necessário, dependendo da aplicação. Um cadinho de referência do mesmo tipo é preparado e normalmente permanece vazio. A preparação da amostra é fundamental e deve ser realizada corretamente, o que é explicado neste vídeo Como preparar amostras de DSC .

O programa de temperatura é definido, com temperaturas de início e fim e taxas de aquecimento e resfriamento adequadas. O gás de forno adequado deve ser seleccionado consoante seja necessária uma atmosfera inerte ou oxidante. Uma vez que o forno DSC tenha atingido a temperatura de partida, a amostra e os cadinhos de referência são colocados no forno. Isso pode ser feito manualmente ou automaticamente com um robô de amostra. À medida que o programa de temperatura progride, o instrumento DSC detecta a diferença no fluxo de calor entre a amostra e os cadinhos de referência. Os resultados são plotados em uma curva de medição que representa as mudanças de entalpia da amostra em relação à temperatura ou ao tempo.

Para obter informações mais detalhadas sobre como usar os instrumentos DSC da METTLER TOLEDO, baixe o manual.

DSC (calorimetria exploratória diferencial) e DTA (análise térmica diferencial) são duas técnicas de análise térmica utilizadas para estudar o comportamento térmico de materiais. Embora ambas as técnicas envolvam a medição de mudanças de temperatura em um material, elas diferem na forma como essas mudanças são medidas e no tipo de informação que fornecem.

A calorimetria exploratória diferencial mede a quantidade de calor que entra ou sai de uma amostra quando ela é submetida a um programa de temperatura controlada, fornecendo informações sobre os processos exotérmicos e endotérmicos que ocorrem na amostra em função da temperatura ou do tempo. A análise térmica diferencial fornece informações apenas sobre a diferença de temperatura entre a amostra e a referência.

O DSC é geralmente mais adequado para estudar transições de fase e propriedades térmicas de materiais, como pontos de fusão, transições vítreas e mudanças de entalpia. Ele fornece mais informações sobre o comportamento térmico de um material e é frequentemente usado para caracterizar polímeros, produtos farmacêuticos e outros materiais orgânicos.

O DTA pode ser usado para estudar a estabilidade térmica e o comportamento da oxidação, como os pontos de fusão e a estabilidade térmica de materiais inorgânicos.

Os calorímetros exploratórios diferenciais (DSC) da METTLER TOLEDO não são projetados diretamente para a realização de análise térmica diferencial (DTA). Como o DSC fornece mais informações sobre as transições de fase, propriedades térmicas e comportamento dos materiais, a técnica DSC é geralmente recomendada.

Ao escolher uma máquina DSC, há vários parâmetros-chave que você deve considerar, incluindo:

• Faixa de temperatura: A faixa de temperatura da máquina DSC deve ser apropriada para sua aplicação. Por exemplo, se você analisar materiais que devem ser usados em ambientes de alta temperatura, precisará de um instrumento DSC que possa aquecer a amostra até a temperatura de uso.
• Taxa de aquecimento e resfriamento: Estes devem ser apropriados para sua amostra e aplicação. Algumas máquinas DSC oferecem taxas de aquecimento e resfriamento mais rápidas do que outras, o que pode beneficiar algumas aplicações.
• Resolução: Um instrumento de alta resolução permite uma separação mais clara de eventos térmicos sobrepostos. Isso pode ocorrer quando várias transições ou reações ocorrem dentro de uma estreita faixa de temperatura, tornando difícil distinguir entre os eventos individuais. Os polímeros podem frequentemente exibir transições térmicas sobrepostas, como transições vítreas, pontos de fusão e cristalização.
• Sensibilidade: A sensibilidade do instrumento determina o quão fraco um evento térmico ele pode detectar. Se você analisar amostras com efeitos térmicos fracos, você precisará de um instrumento DSC com alta sensibilidade.
• Capacidade de amostra: A capacidade do robô de amostra da máquina DSC deve ser apropriada para seus fluxos de trabalho. Por exemplo, o robô de amostra para o DSC 5+ lida com até 96 amostras e 7 cadinhos de referência.
• Controle da atmosfera: Algumas máquinas DSC podem oferecer a capacidade de controlar a atmosfera do forno durante a análise, o que pode ser útil para analisar materiais em condições específicas, como umidade controlada, ou na presença de um determinado gás ou mesmo vácuo.
• Software e análise de dados: O software da máquina DSC e os recursos de análise de dados devem fornecer as ferramentas necessárias para analisar seus dados. O software STA^{R e da™} METTLER TOLEDO oferece possibilidades de avaliação quase ilimitadas, oferecendo modularidade, flexibilidade e automação de medição. Este software também ajuda as indústrias regulamentadas a manterem-se em conformidade. Todos os nossos sistemas de análise térmica são controlados a partir de uma poderosa plataforma de software.
• Orçamento: O preço da máquina DSC é uma consideração importante, pois ela deve caber dentro do seu orçamento enquanto ainda fornece os recursos e capacidades necessários para sua aplicação.

Considerando esses parâmetros-chave, você pode escolher uma máquina DSC adequada para sua aplicação e necessidades analíticas. Contate nossos especialistas hoje mesmo na METTLER TOLEDO para explorar nossas soluções DSC e encontrar o instrumento perfeito para suas necessidades.

O gás dentro de um forno DSC desempenha um papel crucial no experimento. Uma atmosfera inerte, como nitrogênio, argônio ou hélio, impede a oxidação, protegendo a amostra do oxigênio. Isso garante que os resultados obtidos sejam precisos e baseados exclusivamente no comportamento da amostra. Alternativamente, uma atmosfera oxidativa como ar ou oxigênio pode ser necessária, por exemplo, em experimentos para determinar o tempo de indução de oxidação (OIT).

Outro efeito é que a condutividade térmica do gás afeta a velocidade com que o calor chega à amostra e ao sensor. Por exemplo, gases de alta condutividade, como o hélio, podem fornecer resultados de medição ligeiramente diferentes em comparação com outros. Portanto, selecionar o gás apropriado é essencial para evitar reações indesejadas e garantir resultados precisos.

Além do gás do forno, usando um gás inerte na câmara do cadinho (que retém as amostras até o início da medição), as amostras são protegidas antes do início do experimento. Isso não apenas evita alterações no material da amostra, mas também garante que o peso da amostra permaneça o mesmo até que a análise comece.

No modo de compensação de potência, a diferença de temperatura entre a amostra e a referência é mantida o mais próximo possível de zero. No DSC 5+ da METTLER TOLEDO, isso é obtido em um único forno por dois aquecedores locais localizados no sensor, um abaixo da amostra e outro abaixo da referência. Por exemplo, durante o programa de aquecimento padrão, um efeito exotérmico, como a cristalização, libera energia, e a amostra torna-se mais quente do que a referência, que segue a temperatura programada. O aquecedor do lado de referência será então ativado, aumentando a temperatura de referência até que corresponda à temperatura da amostra.

Um efeito endotérmico na amostra, como fusão, absorve energia e a amostra torna-se mais fria do que a referência. O aquecedor de amostra será então ativado, aumentando a temperatura da amostra até que ela corresponda à temperatura de referência.

A quantidade de energia introduzida pelos aquecedores do sensor é medida com muita precisão e usada para traçar a curva de medição do DSC. Isso resulta em um sinal de fluxo de calor com excelente resolução e excelente separação de efeitos próximos.

O sistema de análise térmica DSC 5+ da METTLER TOLEDO possui o sensor MMS 1 MultiStar™, que permite selecionar a compensação de energia ou o modo de fluxo de calor, dependendo da sua aplicação. Contém 136 termopares para oferecer sensibilidade e resolução excepcionais, permitindo a separação de efeitos térmicos próximos.

Sim! Os calorímetros diferenciais de varredura da METTLER TOLEDO podem ser perfeitamente integrados a uma série de acessórios, como um robô de amostras. O inovador robô de amostras DSC 5+ inclui uma câmara de amostra purgada a gás para proteger as amostras do ambiente e opera automaticamente sem intervenção manual.

O robô de amostras pode lidar com até 96 amostras e 7 cadinhos de referência e descartará automaticamente os cadinhos após o término da medição. Com o exclusivo sistema de manuseio da tampa, o robô de amostra é capaz de perfurar a tampa de cadinhos de alumínio hermeticamente fechados ou remover a tampa protetora de cadinhos não selados, pouco antes do início da medição. Isso significa que suas amostras estão protegidas e a massa da amostra não muda antes do início do experimento.

Muitas outras opções e acessórios também podem ser integrados com calorímetros diferenciais de varredura da METTLER TOLEDO, incluindo o kit de microscopia DSC, kit de fotocalorimetria DSC e vários sensores cerâmicos MultiSTAR® DSC de alta sensibilidade, para maximizar o desempenho.

Além disso, nossos instrumentos DSC podem ser integrados ao nosso software STARe para aprimorar sua análise térmica com recursos de avaliação incomparáveis. O design modular, a flexibilidade intuitiva e os recursos de automação do software simplificam seu fluxo de trabalho, garantindo conformidade abrangente em setores regulamentados.

O software de análise térmica usado para calorimetria diferencial de varredura permite que os usuários configurem e executem experimentos facilmente. Isso inclui a definição de taxas de aquecimento/resfriamento, faixas de temperatura e parâmetros de aquisição de dados. O software deve registrar e exibir com precisão os dados brutos do DSC (fluxo de calor vs. temperatura). Também deve fornecer ferramentas de análise essenciais, como a integração de picos, a correção de linha de base e o cálculo de parâmetros termodinâmicos comuns.

Além disso, os usuários devem ter a capacidade de gerar relatórios claros e bem organizados que resuma os dados experimentais, os resultados das análises e as interpretações.

A METTLER TOLEDO oferece o software de análise térmica STA^{R e}, que é o software de análise térmica mais completo e abrangente do mercado, proporcionando flexibilidade incomparável e possibilidades ilimitadas de avaliação.

A calorimetria exploratória diferencial (DSC) tem algumas limitações que precisam ser lembradas.

Por exemplo, a resolução limitada pode dificultar a distinção entre efeitos térmicos sobrepostos, como múltiplos picos endotérmicos ou exotérmicos. Neste caso, pode-se utilizar o método DSC modulado por temperatura, ou mesmo um instrumento TMA (analisador termomecânico) ou DMA (analisador dinâmico-mecânico).

Outra limitação potencial é que o DSC requer um tamanho de amostra relativamente pequeno (geralmente alguns miligramas), que pode não ser representativo do material a granel. Amostras pequenas podem levar a uma baixa relação sinal-ruído, enquanto amostras grandes podem não caber nos cadinhos.

Os resultados do DSC podem ser influenciados pela morfologia, área superficial ou distribuição granulométrica da amostra. Assim, a amostra deve ser homogênea, pois quaisquer impurezas ou variações na amostra podem afetar os resultados. É necessária uma preparação cuidadosa da amostra .

Alguns experimentos podem exigir taxas de aquecimento e resfriamento extremamente altas que não são possíveis usando o DSC convencional. Neste caso, a calorimetria de varredura rápida pode ser apropriada para materiais que exibem eventos ou reações térmicas muito rápidas e para estudar processos de reorganização que não são possíveis usando DSC convencional.

Embora o DSC seja uma técnica valiosa para análise térmica, é importante considerar essas limitações.