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Dynamisches Differenzkalorimeter – Bestimmung des Wärmestroms und der Wärmekapazität


Bei der dynamischen Differenzkalorimetrie handelt es sich um ein thermoanalytisches Verfahren zur quantitativen Bestimmung von Wärmestrom. Durch die thermische Analyse, für die LINSEIS die passenden Geräte bereitstellt, lässt sich nicht nur die spezifische Wärmekapazität messen, sondern auch die bei chemischen und nicht-isotherm physikalischen Prozessen verbrauchten bzw. freiwerdenden Wärmemengen. In sogenannten Kalorimetern bildet die Messung der Zustands- oder Temperaturänderung der Probe die Grundlage für die Messung eines Wärmestroms. Die Genauigkeit der Messergebnisse hängt dabei von der Präzision der Temperaturmessung ab.

Arten von Kalorimetern

Die Unterscheidung der Kalorimeter erfolgt nach der Betriebsart (anisotherm oder isotherm) oder nach dem Messprinzip (z. B. Wärmeleitungs- oder Leistungskompensationsprinzip). Am häufigsten kommt die anisotherme Variante zur Anwendung, bei welcher das Messgerät von der Umgebung thermisch isoliert ist. Zu den wichtigsten anisothermen Kalorimetertypen gehören Flüssigkeitskalorimeter und Metall- oder Bombenkalorimeter.

In Flüssigkeitskalorimetern nimmt eine Flüssigkeit die umgesetzte Wärme auf. Eine Rührvorrichtung gewährleistet die gleichmäßige Temperaturverteilung. Die Wärmemenge wird anhand der Temperaturänderung dieser Flüssigkeit gemessen.

Bei Metallkalorimeter wird die zu bestimmende Wärmeenge über einen gut wärmeleitenden Metallkörper (meist aus Kupfer, Aluminium oder Silber) aufgenommen, der eine schnelle gleichmäßige Temperaturverteilung ermöglicht. Anders als beim Flüssigkeitskalorimeter benötigt diese Bauform keine Rührvorrichtung.

Während anisotherme Verfahren dort zum Einsatz kommen, wo der Wärmeaustausch höchstens 20 Minuten dauert, werden isotherme Geräte für langsamere, zum Teil über mehrere Stunden ablaufende Reaktionen verwendet.

In isothermen Kalorimetern, zu denen auch das dynamische Differenzkalorimeter gehört, bleibt die Temperatur während der kalorimetrischen Prozesse konstant. Hier bedingt die Wärmezufuhr eine isotherm ablaufende Phasenumwandlung (Verdampfen, Schmelzen, Kondensieren oder Sublimieren) der Kalorimetersubstanz. Die umgesetzte Wärmemenge lässt sich aus der damit verbundenen Volumen- oder Gewichtsänderung der Substanz unter Berücksichtigung ihrer Umwandlungswärme bestimmen.

Funktionsweise dynamischer Differenzkalorimeter

Die Wärmestrom-Differenzkalorimetrie (DSC) ist eine Weiterentwicklung der Differenz-Thermoanalyse. Der Unterschied besteht darin, dass die DSC eine Kalibrierung der Wärmeströme zwischen Ofen und Probe sowie zwischen Ofen und Referenz erlaubt und damit eine Bestimmung zahlreicher kalorischer Stoffgrößen ermöglicht.

Zu den wesentlichen Bestandteilen einer DSC-Messzelle gehören der Ofen und ein integrierter Sensor mit Stellflächen für Proben- und Referenz-Tiegel. Die Sensorflächen sind entweder Teil der Thermoelemente oder mit diesen verbunden. Mit dem dynamischen Differenzkalorimeter lassen sich einerseits die Temperaturdifferenz zwischen der Proben- und der Referenzseite, andererseits aber auch die Absolut-Temperaturen beider Seiten ermitteln.

Beim Aufheizen einer DSC-Messzelle bewirkt die Wärmekapazität der Probe, dass sich die Referenzseite in der Regel schneller erwärmt als die Probenseite. Das bedeutet, dass die Referenztemperatur etwas schneller ansteigt als die Probentemperatur. Während des Aufheizens mit einer konstanten Heizgeschwindigkeit verlaufen beide Kurven bis zum Eintritt einer Probenreaktion (z. B. Schmelzvorgang) parallel. Während dieser Reaktion bleibt die Probentemperatur gleich, während die Temperatur der Referenzseite weiter linear ansteigt. Ist die Reaktion beendet, nimmt die Temperatur der Probe ebenfalls wieder zu und weist erneut eine lineare Steigung auf.

Die durch die Reaktion entstehende Temperaturdifferenz zwischen Proben- und Referenzseite ist an einem Peak im Differenz-Signal zu erkennen. Die Fläche des Peaks über die Temperatur oder Zeit bildet dabei direkt die freigesetzte oder aufgenommene Wärmemenge der Probe ab.

Einsatzmöglichkeiten für dynamische Differenzkalorimeter

Mit der dynamischen Differenzkalorimetrie lassen sich unterschiedlichste Materialien wie kompakte Feststoffe (z. B. Kunststoffe, Keramiken oder Metalle), Pulver (z. B. Arzneistoffe oder Mineralien), Fasern und Gewebe, Flüssigkeiten sowie viskose Proben wie Cremes oder Pasten untersuchen.

Unter anderem können mit den bei LINSEIS erhältlichen DSCs folgende Bestimmungen durchgeführt werden:

  • Schmelz- und Glasübergangstemperaturen
  • Kristallisationsgrad
  • Phasenübergänge
  • spezifische Wärmekapazität
  • Aushärtegrad von Klebstoffen und Harzen
  • Oxidationsstabilität

Die LINSEIS-Geräte für die dynamische Differenzkalorimetrie arbeiten nach dem Wärmestrom-Prinzip. Sie bieten eine hohe Nachweisempfindlichkeit und Messgenauigkeit und eigenen sich damit hervorragend für den Einsatz in Forschung und Wissenschaft, in der Materialentwicklung oder in der Qualitätskontrolle.