Thermal Analysis Excellence

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1 Thermal Analysis Excellence DSC 2 STAR e System Innovative Technologie Unbegrenzte Modularität Schweizer Qualität Dynamische Differenzkalorimetrie für alle Anforderungen

2 DSC Excellence Unvergleichliche DSC-Leistung genau auf Ihre Bedürfnisse zugeschnitten Die Dynamische Differenzkalorimetrie (DDK, engl. DSC) ist die wichtigste Methode der Thermischen Analyse. Die DSC misst den Wärmestrom einer Probe als Funktion der Temperatur oder der Zeit. Mit der DSC können physikalische Umwandlungen und chemische Reaktionen quantitativ erfasst werden. Eigenschaften und Vorteile des METTLER TOLEDO DSC 2: Höchste Empfindlichkeit Detektion kleinster Effekte, auch bei begrenzter Probenmenge Unerreichte Auflösung saubere Trennung von überlappenden Effekten Verlässliche Automation beständig hoher Probendurchsatz durch optimiertes Design Kleine und grosse Probenvolumina für kleinste Probenmengen oder inhomogene Proben Modulares Design ermöglicht die Anpassung an Ihre zukünftigen Anforderungen Flexible Justierung garantiert genaue und verlässliche Messergebnisse unter allen Bedingungen Ausgedehnter Temperaturbereich messen Sie korrekt verschiedene Probeneffekte von 150 bis 700 C Ergonomische Konstruktion intuitive Bedienung und Design für bequemen und ermüdungsfreien Gebrauch Dank des modularen Aufbaus eignet sich das DSC 2 für den manuellen oder automatischen Betrieb, von der Qualitätssicherung und Produktion bis zur Forschung und Entwicklung. Herzstück des DSC ist der innovative, patentierte DSC-Sensor, der mit seinen 120 Thermoelementen unerreichte Empfindlichkeit garantiert. 2

3 Durchbruch in der DSC-Sensortechnologie unerreichte Empfindlichkeit und hervorragende Auflösung Gehen Sie keine Kompromisse ein, wenn es um das Herzstück Ihres DSC geht. Die METTLER TOLEDO MultiSTAR -Sensoren kombinieren die wichtigsten Charakteristika, die mit konventionellen Sensoren undenkbar sind: gleichzeitig höchste Empfindlichkeit, exzellente Temperaturauflösung, flache Basislinie und ausgezeichnete Robustheit. Empfindlichkeit Sie wird durch die Anzahl der Thermoelemente und ihre Anordnung bestimmt. Dank eines Quantensprungs in der Sensortechnologie bieten wir die bei weitem höchste auf dem Markt verfügbare Empfindlichkeit, sodass auch noch schwächste thermische Effekte detektiert werden können. Temperaturauflösung Sie ist gegeben durch die Zeitkonstante des Sensors, die möglichst klein sein sollte. Sie bestimmt, wie gut nahe beieinander liegende thermische Effekte getrennt gemessen werden können. Auch diesbezüglich setzen wir den unerreichten Massstab. Basislinie Die revolutionäre sternförmige Anordnung der Thermoelemente auf der Proben- und der Referenzseite kompensiert mögliche Temperaturgradienten vollständig. Flache Basislinien und reproduzierbare Messergebnisse sind damit garantiert. FRS 6 Beim neuen noch robusteren FRS 6 Sensor wurde die Reproduzierbarkeit der Ergebnisse nochmals gesteigert. Er ist damit die richtige Wahl für die meisten Anwendungen, für hohe Heizraten und anspruchsvolle Peaktrennung. HSS8 Für sehr schwache thermische Effekte, für kleinste Probenmengen und niedrige Heizraten wird der High Sensitivity Sensor HSS8 eingesetzt. Mit seinen 120 Thermoelementen besitzt er neben einer guten Temperaturauflösung eine unerreichte Empfindlichkeit. TAWN-Test Die Bewährungsprobe für jeden DSC-Sensor ist der weltweit anerkannte TAWN-Test, der die hervorragende Empfindlichkeit bei gleichzeitig hoher Temperaturauflösung des HSS8- und FRS 6-Sensors bestätigt. 3

4 Schweizer Qualität DSC 2 von METTLER TOLEDO mit Sicherheit die richtige Entscheidung SmartSens Terminal Schon von weitem ist das Terminal gut sichtbar und gibt Auskunft über den Stand der Messung. Falls das DSC nicht unmittelbar neben dem PC mit der STAR e Software steht, können Sie mit dem Terminal einzelne Abläufe und Abfragen direkt am Messinstrument vornehmen. Mit dem anpassungsfähigen und intuitiven Touchscreen oder dem SmartSens können Sie die Anzeige umschalten oder den Ofen berührungslos öffnen. Ofenraum Der Sensor befindet sich in einem korrosionsresistenten Silberofen. Probenpräperation Für eine schnelle Probenpräparation stehen Ihnen zahlreiche Hilfsmittel zur Verfügung, die Ihnen die Arbeit erleichtern und dafür sorgen, dass Ihr Probenmaterial optimal für die Messung vorbereitet ist. 4

5 Ergonomie auf höchstem Stand wir kümmern uns um Sie Ergonomie in Vollendung Beim manuellen Einsetzen der Probe können Sie die Hand bequem auf einer ergonomisch optimal geformten Auflagefläche abstützen. DSC TGA Vollständiges Thermoanalysen-System Ein vollständiges TA- System besteht aus vier verschiedenen Messtechniken. Alle charakterisieren die Probe auf ihre eigene Art. Die Kombination aller Resultate vereinfacht die Interpretation. TMA Neben dem Wärmestrom (DSC) können die Gewichtskurve (TGA), Längenänderung (TMA) oder der Modul (DMA) gemessen werden. DMA Alle diese Messgrössen ändern sich mit der Temperatur. Wichtige Dienstleistungen Neben dem Gerät ist auch die Kompetenz von METTLER TOLEDO gefragt. Ihnen als Kunde stehen gut ausgebildete Servicetechniker und Verkaufsingenieure zu Seite, die Sie auf verschiedensten Gebieten unterstützen: Service und Unterhalt Kalibrierung und Justierung Training und Applikationsberatung Gerätequalifizierung METTLER TOLEDO stellt zudem umfangreiche, branchenspezifische Applikationsliteratur zur Verfügung. 5

6 Unerreichte Messleistung über den gesamten Temperaturbereich Innovation Messprinzip Dynamische Differenzkalorimetrie DDK (engl. DSC) misst die Differenz der Wärmeströme zwischen Proben- und Referenzseite eines Sensors über der Temperatur oder der Zeit. Physik des DSC Wärmestromdifferenzen entstehen durch von der Probe aufgenommene oder freigesetzte Wärme, bedingt durch thermische Effekte, wie beispielsweise Schmelzen, Kristallisieren, chemische Reaktionen, polymorphe Umwandlungen, Verdampfen und viele weitere. Auch spezifische Wärmekapazitäten und ihre Änderung zum Beispiel während eines Glasübergangs können über die Wärmestromdifferenz bestimmt werden. Robustheit Die keramische Oberfläche schützt die Sensoren gegen chemische Beschädigung und Kontamination jeglicher Art. Eine lange Lebensdauer und konstante Leistungseigenschaften sind Ihnen somit sicher. Bildlegende 1. Ofendeckel 2. Tiegel auf dem DSC-Sensor 3. Silberofen 4. PT100 des Ofens 5. Flachheizung zwischen zwei Isolierscheiben 6. Wärmewiderstand zum Kühler 7. Kühlflansch 8. Druckfederkonstruktion 9. PT100 des Kühlflansches 10. DSC-Rohsignal zum Verstärker 11. Spülgas-Einlass 12. Trockengas-Einlass 6

7 Zuverlässige Automatisierung bringt Effizienz in Ihr Labor Der Probenwechsler ist äusserst robust und arbeitet zuverlässig rund um die Uhr, bei Bedarf das ganze Jahr hindurch. Automatisch und rationell Alle DSC 2-Instrumente können automatisiert werden. Bis zu 34 Proben können damit abgearbeitet werden, bei Bedarf jede mit einer anderen Methode und einem anderen Tiegel. Eigenschaften und Vorteile: Bis zu 34 Proben erhöht Probendurchsatz und Effizienz dramatisch Einfach und robust garantiert zuverlässige Resultate Einzigartige Tiegelstechfunktion keine Gewichtsänderung der Probe vor der Messung Universal-Greifer kann alle METTLER TOLEDO Tiegel einsetzen Keine Probenreaktion vor der Messung Einzigartig ist die Möglichkeit, dass der Probenwechsler den hermetisch verschlossenen Aluminiumtiegel nur Sekunden vor Messbeginn aufsticht. Die Probe wird so während der Wartezeit vor Feuchtigkeitsverlust bzw. -aufnahme geschützt. Auch sauerstoffempfindliche Proben bleiben so vor der Messung unversehrt. 7

8 Modularität und Ausbaufähigkeit die Möglichkeiten sind unbegrenzt Automatischer Ofendeckel Der automatische Ofendeckel öffnet und schliesst den Ofenraum auf Tastendruck oder berührungsfrei. Das manuelle Entfernen und Wiederaufsetzen des Ofendeckels entfällt. Dank des optimierten Designs mit drei übereinander liegenden Silberdeckeln und des Hitzeschildes ist die Messzelle optimal von der Umgebung isoliert. Eine hervorragende Messleistung ist dadurch garantiert. Luftkühlung RT bis 500 C / 700 C Thermostatkühlung 50 bis 450 C / 700 C Intra Cooler (mehrere) 35 bis 450 C / 700 C 85 bis 450 C / 700 C 100 bis 450 C / 550 C Flüssigstickstoff-Kühlung 150 bis 500 C / 700 C Temperaturbereich und Kühlvarianten Sie können Ihr System auf den von Ihnen benötigten Temperaturbereich anpassen. Der IntraCooler wird elektrisch betrieben und bietet dort Vorteile, wo flüssiger Stickstoff nicht verfügbar oder der Umgang damit unerwünscht ist. Mit Flüssigstickstoff-Kühlung bleiben Sie flexibel, da Sie den gesamten Temperaturbereich abdecken können. Definierte Ofenatmosphäre, programmierbarer Gasdurchfluss und Gaswechsel Der Ofenraum kann mit einem definierten Gas geflutet werden. Von der Software gesteuert misst und regelt der Gaskontroller den Gasdurchfluss zwischen 0 bis 200 ml/min und ermöglicht das automatische Umschalten von bis zu vier Gasen während der Messung. Der Gaswechsel von einer inerten zu einer reaktiven Gasatmosphäre, ist damit ganz einfach möglich. Option bedingt Option FRS 6 HSS8 Automatischer Ofendeckel SmartSens Terminal Luft Kryostat Intra Cooler DSC 2 (500 C) DSC 2 (700 C) Probenwechsler (34) notwendig notwendig Automatischer Ofendeckel notwendig Gaskontroller 100/200 bei Bedarf Gaskontroller GC 10/20 notwendig notwendig Kryostat / IntraCooler bei Bedarf Flüssigstickstoff notwendig = wahlweise Peripherie- Ansteuerung Netzschaltung Flüssigstickstoff 8

9 Noch mehr Möglichkeiten dank umfangreichem Zubehör DSC-Photokalorimetrie Das Photokalorimetrie-Zubehör für das DSC 2 erlaubt, UV- und lichthärtende Systeme zu charakterisieren. Verfolgen Sie fotoinitiierte Aushärtereaktionen während der UV-Belichtung und bestimmen Sie die Auswirkung von Belichtungsdauer, Licht-Intensität und Temperatur auf die Materialeigenschaften. DSC-Messungen unter Druck oder Vakuum Bestimmen Sie den Einfluss von Temperatur und Druck auf physikalische Umwandlungen und chemische Reaktionen. Das Hochdruck-DSC basiert auf der Technologie der DSC 2 und bietet ebenfalls eine hervorragende Messleistung, jedoch unter Druck (bis 100 bar) oder unter Vakuum (bis 10 mbar) von Umgebungstemperatur bis 700 C in inerter oder reaktiver Ofenatmosphäre. Tiegelschliessapparat Riesige Tiegelauswahl Für jede Applikation steht der passende Tiegel bereit. Es können Tiegel mit verschiedenen Volumina von 20 bis 900 µl und verschiedenen Materialien ausgewählt werden. Alle Tiegel sind mit dem Probenwechsler kompatibel. Kupfer Aluminium Aluminiumoxid Folgende Materialien stehen zur Auswahl: Stahl (vergoldet) Gold Platin 9

10 Applikationsvielfalt Extrem breites Anwendungsgebiet Mit der Dynamische Differenzkalorimetrie können sowohl Temperaturen und Enthalpien von Umwandlungen zur Identifikation und Charakterisierung von Materialien genutzt werden. Die DSC zeichnet sich durch eine hohe Empfindlichkeit, Genauigkeit und einfache Probenpräparation, Automatisierungsmöglichkeit und geringe Messzeit aus. Elastomere, Kompositwerkstoffe, Klebstoffe, aber auch Nahrungsmittel, Pharmazeutika und Chemikalien untersucht werden. In allen Bereichen, in denen thermische Grössen bestimmt, thermische Prozesse untersucht sowie Materialien charakterisiert oder verglichen werden, wird die DSC eingesetzt. Dabei werden Fragestellungen nach Stabilität, Einsatz- und Verarbeitungsbedingung, Fehlererkennung, Schadensanalyse, Materialidentifizierung, Stabilität, Reaktivität, chemischer Sicherheit und Reinheit von Materialien beantwortet. Es können unter anderem Polymere wie Thermoplaste, Duroplaste, Auswahl von thermischen Ereignissen und Vorgängen, die mittels DSC bestimmt werden können Schmelzverhalten Kristallisation und Keimbildung Polymorphie Flüssigkristall-Umwandlungen Phasendiagramme und Zusammensetzung Glasübergang Reaktivität Reaktionskinetik Härtung Stabilität Mischbarkeit Weichmachereffekte Thermische Vorgeschichte Wärmekapazität und ihre Änderungen Reaktions- und Umwandlungsenthalpie Reinheit 10

11 Einfluss von Beschleunigern Aushärtungsmessungen an glasfaserverstärkten Vinylesterharz-Verbundwerkstoffproben mit unterschiedlichen Beschleunigerkonzentrationen dienen der Bestimmung des Einflusses des Beschleunigers auf den Aushärtungsprozess. Jede DSC-Kurve zeigt einen exothermen Peak proportional zur während der Aushärtungsreaktion produzierten Wärme. Eine erhöhte Beschleunigerkonzentration lässt die Reaktion schneller ablaufen und führt zu einer Verlagerung des Reaktionspeaks in einen niedrigeren Temperaturbereich. Solche DSC-Messungen ermöglichen die Optimierung von Produktionsprozessen durch gezielte Auswahl des richtigen Beschleunigers, seiner Konzentration und der Aushärtungstemperatur. Brotkruste Bei der Messung von komplexen Materialien kommt es häufig zu einer Überlagerung von verschiedenen Effekten. Bei der Separation der Einzeleffekte hilft TOPEM (temperatur-modulierte Technik). Das ist am Beispiel von Brotkruste dargestellt. Die Kurve des totalen Wärmestroms entspricht der Messkurve der konventionellen DSC. Bei dieser Kurve ist eine eindeutige Zuordnung der gemessenen Effekte nicht möglich. Der reversierende Wärmestrom zeigt deutlich den Glasübergang bei 51 C. Im nichtreversierenden Wärmestrom ist der Peak der Enthalpierelaxation und oberhalb 70 C das Verdampfen von Feuchtigkeit zu erkennen. Flüssigkristall Materialien aus hinreichend steifen Molekülen können flüssigkristalline Phasen bilden. Das ist am Beispiel eines Materials (LC(R) MHPOBC) gezeigt, das fünf flüssigkristalline Umwandlungen oberhalb der Schmelztemperatur (bei 85 C) aufweist. Die Umwandlungen bei etwa 120 C sind sehr klein und sind deshalb am Beispiel der Kühlkurve vergrößert dargestellt. Da einige flüssigkristalline Umwandlungen mit sehr kleinen thermischen Effekten verbunden sind, ist für die Messung ein DSC mit sehr hoher Auflösung bei kleinem Rauschen notwendig. 11

12 Polymorphie Bei pharmazeutischen Produkten wird die Analyse des Schmelzverhaltens bei der Qualitätskontrolle verwendet. Wie am Beispiel der stabilen Modifikation on Phenobarbital gezeigt wird, kann der Schmelzpeak neben der Bestimmung der Schmelztemperatur auch zur Reinheitsanalyse genutzt werden. Auch die Untersuchung von polymorphen Modifikationen erfolgt mittels DSC. Die metastabile Modifikation schmilzt bei tieferen Temperaturen. Bevor die stabile Modifikation schmilzt, kann das Material rekristallisieren. Die Kenntnis der vorhandenen Modifikation ist für die Einschätzung der physikalischen Stabilität wichtig. Nanokristallisation einer Legierung Die Kristallisation einer durch schnelle Abkühlung in einem melt spinning - Produktionsprozess hergestellten amorphen Metalllegierung wurde analysiert. Das Diagramm zeigt Kurven, die bei unterschiedlichen Heizraten gemessen wurden. Der exotherme Peak ab 470 C wird durch die Bildung von Eisen-Silizium-Nanokristalliten hervorgerufen. Mit zunehmenden Heizraten werden die maximalen Temperaturen dieses Peaks höher. Das Verhältnis zwischen der Kristallisationstemperatur und der Heizrate gibt Auskunft über die Aktivierungsenergie des Kristallisationsprozesses. Die äusserst asymmetrische Form des Peaks liefert weitere Informationen zur Kinetik der Kristallisation. Rezepturen von Cremes Cremes sind halbfeste Emulsionen bestehend aus Mischungen von Öl und Wasser, deren unterschiedliche Inhaltsstoffe sich auf die Konsistenz und Qualität der fertigen Cremerezeptur auswirken. Die DSC-Kurven zweier verschiedener Cremes zeigen im Bereich 55 bis 65 C einen breiten Schmelzpeak, der dem Inhaltsstoff Glycerolmonostearat zugeordnet ist, der der Verdickung und Stabilisation dient. Creme A weist jedoch drei weitere Peaks im Bereich 25 bis 45 C auf, den typischen Schmelzpunkten von Mono-, Di- und Triglyceriden. Diese inaktiven Inhaltsstoffe bilden dreidimensionale Strukturen unterschiedlicher Art und Stärke. 12

13 Oxidationsstabilität Aussagen über die Stabilität von Werkstoffen können durch die Analyse von Zersetzungsreaktionen erhalten werden. Eine Möglichkeit ist die OIT, bei der die Zeit gemessen wird, bis bei einer bestimmten Temperatur die Oxydationsreaktion in einer Sauerstoffatmosphäre beginnt. Im Beispiel erfolgt die Messung bei 210 C an unterschiedlich stabilisierten Polyethylen. Es sind die Unterschiede in der Oxydationsstabilität zu erkennen. Durch solche Messungen kann man auch thermisch, mechanisch oder chemisch gestresstes Material von frischem unterscheiden. Vulkanisationsreaktion Bei der Analyse und Vorhersage der Kinetik der Vulkanisationsreaktion von Acrylnitril-Butadien-Kautschuk (NBR) mit dem Softwareprogramm Modellfreie Kinetik (MFK) werden zuerst drei dynamische DSC-Kurven bei unterschiedlichen Heizraten gemessen. Daraus werden in Schritt 2 die Umsatzkurven berechnet. Aus diesen Resultaten wurde, wie in Schritt 3 gezeigt, die Aktivierungsenergiekurve der Reaktion in Abhängigkeit vom Umsatz berechnet. Auf Grundlage der Aktivierungsenergiekurve wurde die Umsatzkurve bei 130 C vorhergesagt, dargestellt in Schritt 4 als durchgehende grüne Kurve. Die Vorhersage stimmt gut mit den unter gleichen Bedingungen gemessenen Resultaten überein (gezeigt als schwarze Quadrate). Aushärten von Klebstoffen Beim isothermen Härten von Klebstoffen wird das Material von einer Flüssigkeit in einen festen Stoff durch eine chemische Reaktion überführt. Es entsteht dabei ein amorphes polymeres Glas und die Reaktion wird praktisch gestoppt. Dieser Vorgang wird Vitrifikation genannt und ist von grosser praktischer Bedeutung, da ein virtifizierter Klebstoff im Allgemeinen nicht ausgehärtet und somit instabil ist. Es kommt dann zu einer allmählichen Änderung der Materialeigenschaften. Wie im Beispiel gezeigt wird, ist die Messung der Wärmekapazität während der Reaktion mittels TOPEM (temperaturmodulierte Technik) eine einfache und zuverlässige Methode um Vitrifikationsprozesse zu erkennen. 13

14 DSC 2 Spezifikationen Temperaturangaben Temperaturbereich Luftkühlung RT bis 500 C (200 W) RT bis 700 C (400 W) Kryostatkühlung 50 bis 450 C 50 bis 700 C IntraCooler 100 bis 450 C 100 bis 700 C Flüssigstickstoffkühlung 150 bis 500 C 150 bis 700 C Temperaturgenauigkeit 1) ± 0.2 K Temperaturpräzision 1) ± 0.02 K Auflösung der Ofentemperatur ± K Heizrate 2) RT bis 700 C 0.02 bis 300 K/min Kühlrate 2) 0.02 bis 50 K/min Abkühlzeit Luftkühlung 8 min (500 bis 100 C) 9 min (700 bis 100 C) Kryostatkühlung 5 min (100 bis 0 C) IntraCooler 5 min (100 bis 0 C) Flüssigstickstoff 15 min (100 bis 100 C) Kalorimetrische Angaben Sensortyp FRS 6 HSS8 Sensormaterial Keramik Anzahl Thermoelemente Signalzeitkonstante 1.8 s 3.1 s Indium Peak (Höhe zu Breite) Rohdaten ) 6.9 Mathematisch korrigiert >155 4) nicht bestimmt TAWN Auflösung Empfindlichkeit Messbereich bei 100 C ± 350 mw ± 160 mw bei 700 C ± 200 mw ± 140 mw Auflösung 0.04 µw 0.02 µw Digitale Auflösung 16.8 Millionen Punkte Abtastung Abtastrate Spezialmodi ADSC IsoStep, TOPEM Automatisierung Mikroskopie Photokalorimetrie maximal 50 Werte pro Sekunde standard optional Zulassungen IEC/EN :2001, IEC/EN :2003 CAN/CSA C22.2 No UL Std No A-1 EN :2006 (class B) EN :2006 (Industrial environments) FCC, Part 15, class A AS/NZS CISPR 22, AS/NZS Konformitätszeichen: CE 1) bezogen auf metallische Referenzen 2) abhängig von der Gerätekonfiguration 3) keine mathematische Behandlung oder Korrektur der Daten 4) gemäss B. Wunderlich, Thermal Analysis of Polymeric Materials, Springer (2005), Seite 346 korrigiert Für mehr Information Mettler-Toledo AG, Analytical CH-8603 Schwerzenbach, Schweiz Tel Fax Qualitätszertifikat. Entwicklung, Produktion und Prüfung nach ISO9001. Umweltmanagement-System nach ISO Technische Änderungen vorbehalten 06/2014 Mettler-Toledo AG, A Marketing MatChar / MarCom Analytical «Conformité Européenne» Dieses Zeichen gibt Ihnen die Gewähr, dass unsere Produkte den EU-Richtlinien entsprechen.