Differential Scanning
Calorimetry
2021년 1학기
화공실험1
최종목표
DSC를 이용, 고분자 물질의 유리전이온도(T
g), 용융(T
m) 및 결정화
온도(T
c)를 측정해보고 고분자의 상전이에 대하여 이해한다.
세부목표
1. DSC 측정원리 이해
2. DSC 측정을 위한 시료 준비법 익힘
3. DSC 측정으로 결정화 속도 상수 결정
열분석(Thermal Analysis)
•
일정조건하에서 온도에 따른 시료의 무게 변화, 엔탈피나 열용량의
변화와 같은 물리적, 화학적 특성의 변화를 측정하는 분석.
열분석 방법 Parameter measured DSC
(Differential Scanning Calorimetry) Enthalpy
DTA
(Differential Thermal Analysis) Temperature
TGA
(Thermo Gravimetric Analysis) Mass
TMA
시차주사 열량법(DSC)
시료물질과 기준물질을 기기의 시료잡이에 놓고 규정된 속도로 온도
를 증가시키거나 주어진 온도가 되도록 일정하게 유지시킨 후, 시료물
질과 기준물질 사이의 열흐름 차이를 측정.
DSC는 열량변화 data로부터 정량적인 정보들을 얻을 수 있다.
Glass transitions
Melting and boiling points
Crystallization time and temperature
Percent crystallinity
Heat of fusion and reactions
Specific heat capacity
Oxidative/thermal stability
Rate and degree of cure
Reaction kinetics
DSC Thermogram
DSC Thermogram
Tg : 유리전이온도에 도달하면 reference와 같은 온도가 되기 위해 시료로의 열흐름이 증가 (흡열)하여 열흐름이 변화함. Tc : 고온에서 고분자의 결정화가 일어나면서 발열이 나타남. 이때 결정화 peak의 적분은 결정화 엔탈피와 같음. Tm : 온도가 더 오르면 시료의 용융이 일어나면서 흡열 peak가 나타남. 흡열 peak의 면적 은 용융 엔탈피에 비례. DSC 기기장치
• Furnace는 sample과 reference 에 센서가 각각 독립적으로 가지고 있으며 시료에 온도 변화(흡열 또는 발열)가 있을때 온도차를 감지하고 그 온도차를 보상하기 위해 전기에너지를 공급하여 온도가 항상 같게 만듦. • 시료물질의 온도를 기준물질의 온도와 똑같게 유지하기 위해 필요로 하는 전력을 측정함.
* 전력보상 DSC(Power compensated DSC)
전력보상 DSC 시료잡이와 기준잡이와 가열장치* 열흐름 DSC(Heat flux DSC)
• Furnace는 sample과 reference 사이에 한 개의 가열로 안에 위치 바로 밑에 설치된 열전쌍감지기에 의해 각각의 온도 측정가능 • 시료에 온도 변화(흡열 또는 발열)가 있을 때 온도 차를 감지하여 시료와 기준물질간의 온도차이가 발생했을 때 열전쌍감지기에 의해 양쪽의 온도 차이를 감지함. • 온도차이가 열량의 차이로 환산되어 데이터가 얻어짐.
DSC 기기장치
DSC 기기장치
전력보상 DSC 열흐름 DSC 장점 • 열량을 직접 측정하므로 속도가 빠르고 재현성이 우수 • 시료의 사용량이 매우 작음. • 온도변화에 대한 응답 속도가 빠르고 일정함. • 온도 센서로 Pt 저항체를 사용하므로 측정 범위에서 선형성이 좋으며 보정이 손쉽다. • 시료의 열분해, 가스발생 등과 같 은 furnace의 오염에 강함. • 가열로가 견고하여 수명이 길다. • 작동 온도 범위가 넓다. 실험 시약
Polylactic acid
CAS number
26100-51-6
Chemical formula
Molar mass (g/mol)
-Density (g/cm³)
1.210-1.430
Melting point (°C)
150-160
실험 방법
1 PLA을 DSC측정용 sample로 만든 다음 상온에서 210℃까지 온도를 올려서5분간 유지시킨 후 임의의 Tc까지 내려서 등온(isothermal)으로 30분 정도 유지시킨다. 2 ①에서 임의의 다른 Tc를 정해서 실험을 계속한다 3 위 실험에서 얻은 각 시료의 isothermal DSC thermogram을 가지고 다음 그림과 같이 x축을 등간격으로 나눈다. 4 그래프 상에서 x축 단위 길이당 해당하는 시간이 얼마인지를 환산한 후 각각의 면적을 가위로 자른 뒤 무게를 0.1mg까지 측정한다. Time(min) dH/dT
실험 결과
No. 간격
(cm ) 시간(t) 무게(g) X(t)* ln[1-X(t)] log(t)-x축 log[-ln(1-X(t))]-y축 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 * 무게 비율 X(t)=Xt/Xtotal 각 온도에서 n값과 결정화 속도 상수 K 측정온도 ( ℃)
