열 분석기

DSC(Differential Scanning Calorimetry)

TGA(Thermo-gravimetric Analysis)

열 분석

열 분석이란?

◦ 온도의 변화에 의한 재료의 물리적, 화학적 특성 변화를 측정하는 분석기법.

◦ 단일물질, 혹은 혼합물, 반응성 화합물의 특성을 측정할 수 있다.

◦ 온도 외에도 시간, 주파수, 무게 등의 함수로써 재료의 특성을 분석

◦ 상전이 온도, 질량 변화, 엔탈피, 점탄성 변화 등을

주로 측정한다.

열 분석

열(heat)

◦ 분자나 원자들의 운동으로 인해 생기는 에너지의

한 형태

◦ 단위: J (joule) [m2kg/s2] or cal (Calorie)

1 cal = 4.184 J

◦ 열역학 제 1법칙에 의하여, 열은 계의 내부에너지와

계가 한 일, 또는 계 내부의 일과 관련되어있다.

◦ dU = δQ - δA = δQ - pdV = TdS - PdV, U = f(S,V)

◦ dH = δQ + δPV = TdS + VdP, H = f(S, P)

대표적인 열 분석 기술

Differential Thermal Analysis

◦ 시차열분석기, DTA: 온도차 측정

Differential Scanning Calorimetry

◦ 시차주사열계, DSC: 열유속 측정

Thermogravimetric Analysis

◦ 열질량 분석기, TGA: 질량변화 측정

Thermomechanical Analysis

◦ 열기계 분석기, TMA: 크기변형 측정

Dynamic Mechanical Analysis

◦ 동적기계 분석기, DMA: 점탄성변형 측정

열 분석기기 제작회사

Perkin Elmer Thermal Analysis Systems

http://www.perkin-elmer.com/thermal/index.html

TA Instruments

http://www.tainst.com/

Mettler Toledo Thermal Analysis Systems

http://www.mt.com/

Rheometric Scientific

http://www.rheosci.com/

Haake

http://polysort.com/haake/

NETZSCH Instruments

http://www.netzsch.com/ta/

SETARAM Instruments

http://setaram.com/

Instrument Specialists, Inc.

http://www.instrument-specialists.com/

TGA

가장 일반적으로 사용되는 열 분석방법.

온도 또는 시간의 변화에 따른 질량 변화를 민감하게 측정한다.

주로 다른 열 분석기와 같이 쓰인다.

TGA

분석 가능한 것

◦ 구성물질의 정량분석

◦ 열 안정성

◦ 산화 안정성

◦ 물질의 분해속도

◦ 반응성 가스 환경 또는 부식환경의 영향

◦ 물질의 수분 또는 휘발성 기체 함유량

TGA

TGA의 개략도

TGA

TGA 분석기 내부모습

TGA

데이터에 영향을 주는 인자

◦ 부력 효과

온도가 올라가면서 주변 기체들의 밀도가 낮아져, 시료의

질량이 증가되어 보이는 현상

◦ 시료의 응축

◦ 시료와 가스의 반응

◦ 노 내부의 대류효과

◦ 가스의 난류

◦ 유체의 유인효과

TGA

질량곡선에 영향을 주는 인자

◦ 장비 인자

노 가열속도

데이터 기록 속도

노 내 분위기

시편 홀더의 모양 및 센서의 위치

◦ 시료 특성 인자

시료의 양

시료에 대한 가스의 용해도

입자 크기

반응 엔탈피

열전도도

TGA

예시: 물질에 따른 TG 곡선

TGA

예시: TG 곡선의 정량분석법

TGA

예시: 가열속도에 따른 TG 곡선

TGA

예시: TG 곡선과 DTG 곡선

TGA

예시: 가스 종류에 따른 TG 곡선

TGA

예시: 임의의 약품의 TG 곡선

1: 수분의 증발 2: 분해 3: 흑연 연소 4: 잔류물

DSC

시료와 불활성 기준물질에 동일한 열을 가하여, 발생되는 열유속 차이를 측정한다.

전도되는 전력을 이용하여 시료의 엔탈피 변화를 측정할 수 있다.

엔탈피 변화와 전이에 의해 발생되는 열적 거동에 대한 정보를 제공한다.

Ex

oth

erm

al d

Q/d

T

Temperature

DSC

TGA와의 차이점

◦ TGA는 시료의 변화를 질량을 통해 밝혀내지만,

DSC는 주로 시료의 상변태를 이용하여 밝혀낸다.

DSC

분석 가능한 것

◦ 용융 엔탈피

◦ 결정화 엔탈피

◦ 결정화온도

◦ 유리전이온도

◦ 상변태온도

◦ 산화도

◦ 열적 안정성

◦ 순도

◦ 물리적 전이 및 화학반응의 거동

◦ 비열

DSC

구조

◦ 가열기

◦ 시료

◦ 기준물질

◦ 열전도계

Heat

DSC

DSC 곡선에 영향을 주는 인자

◦ 초기 보정

◦ 시료의 질량

◦ 가열/냉각 속도

◦ 장비 내부/시료의 오염

◦ 습도

◦ 시료의 위치 및 모양, 크기 등

◦ 공정 에러

DSC

시료를 준비할 때의 유의사항

◦ 가능한 한 얇게 만든다.

윗면과 아랫면의 온도차이를 줄여준다.

◦ 팬의 바닥을 가능한 한 많이 덮을 수 있도록 한다.

◦ 시료는 분말로 가공하기 보단 얇게 가공하도록 한다.

99

Sample Preparation : Shape

• Keep sample as thin as possible (to minimise thermal

gradients)

• Cover as much of the pan bottom as possible

• Samples should be cut rather than crushed to obtain a

thin sample (better and more uniform thermal contact

with pan)

DSC

예시: 일반적인 DSC 곡선

Temperature

Heat

Flo

w

Glass Transition

Crystallisation

Melting

Cross - Linking (Cure)

Oxidation

DSC

유리전이온도

Temperature (°C)

He

at F

low

(W

)

DSC

유리전이온도

DSC

유리전이온도: 가열속도의 영향

DSC

유리전이온도: 냉각속도의 영향

°C

°C

DSC

용융온도

DSC

결정화온도

DSC

결정화온도: 냉각속도의 영향

DSC

결정화온도: 핵 생성제의 영향

°C