Calorimetria differenziale a scansione (DSC) La calorimetria differenziale a scansione (DSC) permette di determinare CONFERENZA TECNICA l’energia assorbita o rilasciata da un campione mentre questo viene riscaldato o raffreddato. TIPICA CURVA DSC (Calorimetria differenziale a scansione) Una tipica curva DSC
A typical curve of a semidi unDSC polimero semicristallino: 1. deflessione iniziale legata alla capacità crystalline polymer: termica del campione
curva DSC senza effetti calorimetrici 1 initial2. deflection proportional to the (linea di base) sample’s heat capacity 3.
transizione vetrosa della frazione amorfa 2 DSC4. curve with no thermal effect cristallizzazione fredda (baseline) 5. fusione della frazione cristallina 6. degradazione ossidativa in aria
3 glass transition of amorphous fraction calorimetria differenziale 4 cold La crystallization a scansione (DSC) permette
di determinare l’energia assorbita 5 melting of the crystalline fraction
o rilasciata da un campione mentre
questo viene riscaldato 6 oxidative degradation in air o raffreddato.
si verifica la combustione della parte organica ancora presente nell’elastomero (carbon black o fibre di carbonio) per lasciare infine residui inorganici, come ceneri, filler e fibre vetrose. L’accuratezza dello strumento utilizzato consente di determinare con maggiore precisione l’esatta composizione dell’elastomero esaminato. Un esempio molto chiaro riguarda l’analisi composizionale degli elastomeri attraverso la TGA e, tra gli aspetti illustrati da Fortunato, l’esatta determinazione del contenuto di carbon black. L’aumento progressivo della temperatura del campione solitamente dà luogo a una prima perdita di peso, da temperatura ambiente fino a circa 300°C, dovuta principalmente ai componenti volatili della mescola, e a una seconda più importante perdita di peso tra i 300 e i 550°C in cui ha luogo la pirolisi dell’elastomero. In questa fase generalmente si ha una produzione secondaria di carbon black in volumi trascurabili, che non inficia quindi la quantificazione successiva del contenuto originario di carbon black nel campione. Questa viene effettuata dopo il passaggio da un’atmosfera di azoto a un’atmosfera ossidativa di aria, e a partire da una temperatura di 600°C. La perdita di peso compresa tra 600 e 700°C corrisponde alla combustione del carbon black contenuto nell’elastomero, la cui quantità può quindi esser determinata in modo accurato.
Può però esserci il caso, in alcuni elastomeri, di una 11 produzione secondaria non trascurabile di carbon black durante la precedente fase di pirolisi , ad esempio nelle gomme cloropreniche, CR. Se ciò si verifica, il carbon black generato durante la pirolisi dell’elastomero si va a sommare a quello determinato nella fase di ossidazione del carbon black, falsandone la quantificazione iniziale. Questa problematica viene superata utilizzando un metodo che permetta di distinguere i due tipi di carbon black (quello derivante dalla pirolisi da quello originariamente inserito nell’elastomero). Tale metodo prevede dapprima la pirolisi del polimero in atmosfera inerte, un successivo raffreddamento del campione e il cambio ad atmosfera ossidante a basse temperature; ciò consente di distinguere facilmente la perdita di peso dovuta all’ossidazione del carbon black “da pirolisi” da quella dovuta al carbon black aggiunto come carica, sfruttando la diversa reattività dei due tipo di carboni.
La DSC (calorimetria differenziale a scansione) Un’importante tecnica complementare alla TGA nell’analisi degli elastomeri è la DSC, o calorimetria differenziale a scansione, che consente di determinare l’energia assorbita o rilasciata da un campione sottoposto ad un programma di temperatura controllato, in se-
guito alle transizioni chimico-fisiche a cui questo va incontro.Internal A ogniusage materiaonly le corrisponde una curva DSC caratteristica, che lo identifica in modo univoco e che mostra diversi fenomeni calorimetrici. La curva mostra un’andamento tipico, con una deflessione iniziale proporzionale alla capacità termica del campione, seguita dal raggiungimento della linea di base che rappresenta una zona in cui il campione non va incontro a transizioni calorimetriche. Partendo da temperature sufficientemente basse, è possibile identificare sulla curva DSC la transizione vetrosa, che rappresenta il punto in cui l’elastomero passa dal suo stato amorfo-rigido allo stato plastico-gommoso. Diversi elastomeri presentano temperature di transizione vetrosa differenti e caratteristiche della natura dell’elastomero. A seconda del tipo di materiale si potranno poi osservare diversi effetti, dalla cristallizzazione della fase amorfa alla fusione delle eventuali frazioni cristalline. A temperature ancora più alte il campione andrà poi incontro a decomposizione termica (pirolisi in ambiente inerte) o ossidativa (ossidazione esotermica in presenza di ossigeno). Tutti questi effetti sono spesso caratteristici del tipo di elastomero e ne forniscono quindi una caratterizzazione completa. Mettler Toledo ha sviluppato uno strumento da laboratorio modulare e molto compatto, per eseguire ana-
novembre 2013
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