Differential-Scanning-Kalorimetrie

Das Verfahren wird in einer Vielzahl von Anwendungen eingesetzt, sowohl als Routine-Qualitätstest als auch als Forschungswerkzeug. Das Gerät ist einfach zu kalibrieren, zum Beispiel mit niedrig schmelzendem Indium bei 156,5985 °C, und ist eine schnelle und zuverlässige Methode der thermischen Analyse.

PolymersEdit

DSC wird häufig zur Untersuchung von polymeren Materialien eingesetzt, um deren thermische Übergänge zu bestimmen. Wichtige thermische Übergänge sind die Glasübergangstemperatur (Tg), die Kristallisationstemperatur (Tc) und die Schmelztemperatur (Tm). Die beobachteten thermischen Übergänge können zum Vergleich von Materialien herangezogen werden, obwohl die Übergänge allein keine eindeutige Identifizierung der Zusammensetzung ermöglichen. Die Zusammensetzung von unbekannten Materialien kann mit ergänzenden Techniken wie der IR-Spektroskopie vervollständigt werden. Schmelzpunkte und Glasübergangstemperaturen für die meisten Polymere sind aus Standardsammlungen verfügbar, und die Methode kann den Polymerabbau durch das Absenken der erwarteten Schmelztemperatur anzeigen. Tm ist abhängig vom Molekulargewicht des Polymers und der thermischen Vorgeschichte.

Der prozentuale kristalline Anteil eines Polymers kann aus den Kristallisations-/Schmelzpeaks des DSC-Diagramms unter Verwendung von in der Literatur gefundenen Referenzschmelzwärmen abgeschätzt werden. Die DSC kann auch zur Untersuchung des thermischen Abbaus von Polymeren verwendet werden, indem ein Ansatz wie Oxidative Onset Temperature/Time (OOT) verwendet wird; allerdings riskiert der Anwender eine Kontamination der DSC-Zelle, was problematisch sein kann. Die thermogravimetrische Analyse (TGA) kann für die Bestimmung des Zersetzungsverhaltens nützlicher sein. Verunreinigungen in Polymeren können durch die Untersuchung von Thermogrammen auf anomale Peaks bestimmt werden, und Weichmacher können an ihren charakteristischen Siedepunkten nachgewiesen werden. Darüber hinaus kann die Untersuchung kleinerer Ereignisse in den Daten der Erstwärme-Thermoanalyse nützlich sein, da diese scheinbar „anomalen Peaks“ in Wirklichkeit auch für die thermische Prozess- oder Lagerungsgeschichte des Materials oder die physikalische Alterung des Polymers repräsentativ sein können. Der Vergleich von First- und Second-Heat-Daten, die bei gleichbleibenden Heizraten gesammelt wurden, kann dem Analytiker ermöglichen, sowohl etwas über die Verarbeitungsgeschichte des Polymers als auch über die Materialeigenschaften zu erfahren.

FlüssigkristalleBearbeiten

DSC wird bei der Untersuchung von Flüssigkristallen eingesetzt. Wenn einige Formen von Materie von fest zu flüssig übergehen, durchlaufen sie einen dritten Zustand, der Eigenschaften beider Phasen aufweist. Diese anisotrope Flüssigkeit wird als flüssigkristalliner oder mesomorpher Zustand bezeichnet. Mit der DSC ist es möglich, die kleinen Energieänderungen zu beobachten, die beim Übergang von Materie von einem Festkörper zu einem Flüssigkristall und von einem Flüssigkristall zu einer isotropen Flüssigkeit auftreten.

OxidationsstabilitätBearbeiten

Die Verwendung der Differential-Scanning-Kalorimetrie zur Untersuchung der Oxidationsstabilität von Proben erfordert im Allgemeinen eine luftdichte Probenkammer. Sie kann verwendet werden, um die Oxidationsinduktionszeit (OIT) einer Probe zu bestimmen. Solche Tests werden normalerweise isotherm (bei konstanter Temperatur) durchgeführt, indem die Atmosphäre der Probe verändert wird. Zunächst wird die Probe unter einer inerten Atmosphäre, meist Stickstoff, auf die gewünschte Prüftemperatur gebracht. Dann wird dem System Sauerstoff zugeführt. Jede auftretende Oxidation wird als Abweichung in der Basislinie beobachtet. Eine solche Analyse kann verwendet werden, um die Stabilität und die optimalen Lagerungsbedingungen für ein Material oder eine Verbindung zu bestimmen.

Sicherheitsscreening

Die DSC ist ein sinnvolles Werkzeug für ein erstes Sicherheitsscreening. Dabei wird die Probe in einem nicht reaktiven Tiegel (oft Gold oder vergoldeter Stahl) untergebracht, der einem Druck (typischerweise bis zu 100 bar) standhalten kann. Das Vorhandensein eines exothermen Ereignisses kann dann genutzt werden, um die Stabilität einer Substanz gegenüber Wärme zu beurteilen. Aufgrund einer Kombination aus relativ schlechter Empfindlichkeit, langsameren als normalen Scanraten (typischerweise 2-3 °C/min, aufgrund des viel schwereren Tiegels) und unbekannter Aktivierungsenergie ist es jedoch notwendig, etwa 75-100 °C vom Beginn der beobachteten Exothermie abzuziehen, um eine Maximaltemperatur für das Material zu ermitteln. Ein viel genauerer Datensatz kann von einem adiabatischen Kalorimeter erhalten werden, aber ein solcher Test kann 2-3 Tage bei einer Rate von 3 °C-Inkrementen pro halber Stunde dauern.

DrogenanalyseBearbeiten

DSC wird in der pharmazeutischen und Polymerindustrie weit verbreitet eingesetzt. Für den Polymerchemiker ist die DSC ein praktisches Werkzeug zur Untersuchung von Aushärtungsprozessen, die eine Feinabstimmung der Polymereigenschaften ermöglichen. Die Vernetzung der Polymermoleküle, die beim Aushärtungsprozess auftritt, ist exotherm, was zu einem negativen Peak in der DSC-Kurve führt, der in der Regel kurz nach dem Glasübergang auftritt.

In der pharmazeutischen Industrie ist es notwendig, gut charakterisierte Wirkstoffverbindungen zu haben, um Verarbeitungsparameter zu definieren. Wenn es zum Beispiel notwendig ist, ein Medikament in amorpher Form zu liefern, ist es wünschenswert, das Medikament bei Temperaturen zu verarbeiten, die unter denen liegen, bei denen eine Kristallisation auftreten kann.

Allgemeine chemische Analyse

Die Gefrierpunktsdepression kann bei der Analyse mit der Differential-Scanning-Kalorimetrie als Werkzeug zur Reinheitsanalyse verwendet werden. Dies ist möglich, weil der Temperaturbereich, in dem ein Gemisch von Verbindungen schmilzt, von deren relativen Mengen abhängt. Folglich weisen weniger reine Verbindungen einen verbreiterten Schmelzpeak auf, der bei einer niedrigeren Temperatur beginnt als eine reine Verbindung.