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Calorimetría Diferencial de Barrido (DSC): Caracterización Térmica, Guías, Proyectos, Investigaciones de Química Aplicada

Una introducción a la técnica de calorimetría diferencial de barrido (dsc) y su aplicación en la caracterización térmica de materiales, especialmente polímeros. Se explica el funcionamiento del equipo dsc, la preparación de muestras y el análisis de las curvas obtenidas. Se incluyen ejemplos de análisis de curvas dsc para diferentes materiales, como phema, un polímero en bloque de pdo50 y pnipam, y silicona comercial. El documento destaca la importancia de la dsc para comprender las propiedades térmicas de los materiales y su utilidad en la selección de materiales, procesos y control de calidad.

Tipo: Guías, Proyectos, Investigaciones

2022/2023

A la venta desde 20/02/2025

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INTRODUCCIÓN
La calorimetra diferencial de barrido, o DSC, es una tcnica experimental
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sustancia, cuando es mantenida a temperatura constante, durante un tiempo
determinado, o cuando es calentada o enfriada a velocidad constante, en un
determinado intervalo de temperaturas. La calorimetra diferencial de barrido se ha
revelado como una tcnica importante en el campo de la Ciencia de Materiales
debido a su elevado grado de sensibilidad y a su rpida velocidad de anlisis. Por
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primordial inters en los materiales con potenciales aplicaciones industriales1.
En el DSC , la muestra y la referencia se calientan independientemente, por
lo que se puede medir directamente la diferencia en flujo de calor para mantener
una temperatura igual en ambas. As, los datos se obtienen en forma de entradas
diferenciales de calor (dH/dt) en funci$n de la temperatura. Con estos datos se
pueden obtener temperaturas y entalpas de transici$n o de reacci$n2.
Las propiedades fsicas de los polmeros dependen principalmente de la
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temperatura induce a cambios en las propiedades tales como densidad, capacidad
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DSC es una de las tcnicas ms usadas que permite la caracterizaci$n trmica de
los polmeros, incluyendo su temperatura de fusi$n, temperatura de transici$n
vtrea, grados de cristalinidad, reacci$n cintica o estabilidad de la oxidaci$n3.
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calorimetra diferencial de barrido y se analizaron curvas de DSC previamente
estudiadas para comprender la informaci$n que proporciona esta tcnica analtica.
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¡Descarga Calorimetría Diferencial de Barrido (DSC): Caracterización Térmica y más Guías, Proyectos, Investigaciones en PDF de Química Aplicada solo en Docsity!

INTRODUCCIÓN

La calorimetría diferencial de barrido, o DSC, es una técnica experimental dinámica que nos permite determinar la cantidad de calor que absorbe o libera una sustancia, cuando es mantenida a temperatura constante, durante un tiempo determinado, o cuando es calentada o enfriada a velocidad constante, en un determinado intervalo de temperaturas. La calorimetría diferencial de barrido se ha revelado como una técnica importante en el campo de la Ciencia de Materiales debido a su elevado grado de sensibilidad y a su rápida velocidad de análisis. Por otra parte, es bien sabido que el conocimiento de la estabilidad térmica de un material, así como la completa caracterización de sus transiciones, es de primordial interés en los materiales con potenciales aplicaciones industriales 1. En el DSC , la muestra y la referencia se calientan independientemente, por lo que se puede medir directamente la diferencia en flujo de calor para mantener una temperatura igual en ambas. Así, los datos se obtienen en forma de entradas diferenciales de calor (dH/dt) en función de la temperatura. Con estos datos se pueden obtener temperaturas y entalpías de transición o de reacción 2. Las propiedades fí sicas de los polí meros dependen principalmente de la temperatura. El aumento de la movilidad molecular con el incremento de temperatura induce a cambios en las propiedades tales como densidad, capacidad calorí fica, propiedades elé ctricas, propiedades ó pticas, mecá nicas, entre otras. La DSC es una de las té cnicas má s usadas que permite la caracterizaci ó n té rmica de los polí meros, incluyendo su temperatura de fusi ó n, temperatura de transici ó n ví trea, grados de cristalinidad, reacci ó n ciné tica o estabilidad de la oxidació n^3. En el presente trabajo se estudió el funcionamiendo de un equipo de calorimetrí a diferencial de barrido y se analizaron curvas de DSC previamente estudiadas para comprender la informaci ó n que proporciona esta té cnica anal ítica.

METODOLOGÍA

Preparar la muestra para el aná lisis de DSC resulta relativamente sencillo, ya que se necesita muy poca cantidad muestra. Esta, se coloca en un recipiente que será sellado hermé ticamente. Lo anterior, se hace con el fin de evitar pé rdidas en el volumen de la muestra debido a que estos experimentos pueden alcanzar a temperaturas muy elevadas. Los recipientes donde se pondr á la muestra deben ser tomados con pinzas para evitar contaminarlos con grasa. Antes de iniciar el experimento, se realiza un primer barrido de temperatura para borrar el historial t é rmico del equipo. El DSC utiliza un circuito de retroalimentació n que mantiene la muestra a una temperatura determinada al tiempo que mide la potencia requerida en relaci ó n con un horno de referencia. Esto permite el control exacto de la temperatura, mediciones muy precisas de entalpí a y de capacidad calorí fica, y el verdadero rendimiento isot é rmico. Normalmente se utiliza oxalato de calcio puro para calibrar el equipo ya que es un compuesto altamente estable y tiene sus p é rdidas en peso bien definidas. Una vez lista la muestra y calibrado el equipo, se coloca la muestra a un lado de la referencia y se configura una rampa de calentamiento, a continuaci ó n, se pone a correr el experimento. La rampa normalmente va de los 10 a los 20 ºC/ min. El resultado del aná lisis de DSC son curvas de calentamiento en las que se observan pé rdidas en peso del material que se está examinando. ANÁLISIS DE RESULTADOS En este trabajo se analizaron curvas DSC de muestras estudiadas previamente y se identificaron las temperaturas de transició n ví trea (Tg) en una muestra de PHEMA y de un polí mero en bloque de PDO50 y PNIPAM. A su vez, se identificó la temperatura de fusió n (Tm) de silicona comercial.

Por otro lado, se analizó una curva endo DSC de un polí mero en bloque. Esto se estableci ó a partir de la aparició n de dos temperaturas de transici ó n ví trea como se observa en la fig. 2. Si observamos el comportamiento de ambas curvas (fig. 1 y fig. 2) podemos ver que ocurre un salto con el aumento de la temperatura, los cuales se identificaron como las Tg de los materiales objeto de estudio. Estas transiciones nos indican que existe un mayor flujo de calor en el material, es decir hay un incremento en la capacidad calorí fica del mismo. Se puede observar que este salto no ocurre repentinamente, si no que tiene lugar a travé s de un intervalo de temperaturas, lo cual hace complicado escoger una Tg, por lo que generalmente se toma en un punto medio de la regi ó n inclinada. Con el equipo de DSC pudimos elegir una regió n entre dos puntos del cambio en la curva y este nos proporcionó el dato de Tg que observamos en los gr á ficos. Figura 3. Curva DSC de silicona comercial. Por último, analizamos la muestra de una silicona comercial donde la curva DSC obtenida mostró el pico indicando la Tm. El pico observado ( fig. 3 ) se integró y tomo el dato inicial como Tm en -45 ºC y terminó en -50 ºC. El punto de fusió n se indica al inicio del pico de cristalinizació n.

Podemos observar otro dato en el grá fico debajo de la temperatura de terminació n del pico de fusi ó n. Este dato nos indica el calor necesario para fundir esa regió n del polí mero, es decir se tuvieron que absorber 3.787 J/g para poder llevar a cabo la transició n té rmica en el material. CONCLUSIONES Los aná lisis té rmicos nos dar á n mucha informació n valiosa sobre los polí meros y/o materiales que queramos estudiar. Como observamos muchas de las propiedades de los materiales dependen de la temperatura, y si la utilizamos como un mé todo de estudio podremos entender diferentes fen ó menos que suceden en los materiales polim é ricos. De la informació n obtenida de las curvas DSC anteriores podemos concluir que las señales de cristalinizaci ó n y los picos de fusió n solo las encontraremos presentes en materiales capaces de formar cristales o con regiones cristalinas, mientras que la Tg estará presente en materiales con regiones mayormente amorfas. Esto quiere decir que en la regió n amorfa o en la transici ó n ví trea no hay calor entregado o absorbido como se observ ó en el pico de fusió n. La DSC puede detectar cualquier cambio que altere el flujo de calor hacia y desde la muestra. Aunque fueron los únicos p á rametros que resaltamos aquí , esto incluye mucho má s que solo las transiciones v ítreas y de fusi ó n. Se pueden observar transiciones de estado s ó lido, como los puntos euté cticos, fusi ó n y conversiones de distintas fases cristalinas, como formas polim ó rficas, disoluci ó n y precipitació n de soluciones, cristalizaci ó n y recristalizació n, curado exoté rmico, degradació n, pé rdida de solventes y reacciones quí micas. Dicho lo anterior, los aná lisis té rmicos nos permitirá n conocer a nuestro material completamente para poder tener una idea de su alcance para futuras aplicaciones, en la selecció n adeacuada de materiales, procesos, control de calidad y predicció n de su desempeño.