NGHIÊN CỨU ĐẶC TÍNH CỦA CHẤT LỎNG ĐÔNG KHÔ BẰNG KỸ THUẬT DMA CÓ SỬ DỤNG BỘ GỮ ẨM CHẤT LỎNG (Sử dụng máy phân tích DMA 850 TA Instruments – Lĩnh vực Hóa học)

NGHIÊN CỨU ĐẶC TÍNH CỦA CHẤT LỎNG ĐÔNG KHÔ BẰNG KỸ THUẬT DMA CÓ SỬ DỤNG BỘ GỮ ẨM CHẤT LỎNG

(Sử dụng máy phân tích DMA 850 TA Instruments – Lĩnh vực Hóa học)

 

GIỚI THIỆU

Trong những năm gần đây đã có sự quan tâm đáng kể đến việc mô tả đặc tính đàn hồi của chất lỏng / dung dịch / bột nhão ở trạng thái đông lạnh. Cho đến gần đây, thử nghiệm Phân tích kỹ thuật động vẫn là một kỹ thuật được sử dụng để khảo sát vật liệu ở trạng thái rắn. Một vật chứa mẫu mới đã được phát triển cho phép chất lỏng được đóng băng trong Máy phân tích cơ học động và sau đó được làm nóng để mô tả các đặc tính nhớt của cấu trúc đông lạnh. Mặc dù về bản chất là định tính, kỹ thuật này có thể xác định được quá trình chuyển đổi thủy tinh và các quá trình giãn nhỏ khác (như giãn β và γ) của chất lỏng / dung dịch / bột nhão đông lạnh. Hơn nữa, người ta dự đoán rằng giá đỡ này có thể được sử dụng để theo dõi liên kết ngang của phích và chất kết dính từ chất lỏng sang trạng thái thủy tinh hóa.

THÍ NGHIỆM

Hộp đựng mẫu để chứa chất lỏng cũng vậy, dùng để thử bột *). Chất lỏng được nạp vào giá đỡ và giá đỡ được lắp vào khung công xôn kép 35 mm tiêu chuẩn của DMA. Giá đỡ sau đó được kẹp vào áp suất 4 PSI. Mẫu, khi được làm nguội bên dưới lỗ đóng băng, sẽ tạo thành chất rắn trong thiết bị kết hợp. Thông thường, các mẫu được nạp ở nhiệt độ môi trường, được làm nguội ở tốc độ làm mát ổn định đến nhiệt độ ban đầu và sau đó được làm nóng ở tốc độ gia nhiệt mong muốn trở lại nhiệt độ môi trường. Các phản ứng liên kết ngang có thể được đo ở nhiệt độ cao và biến dạng gây ra sự tái kết tinh của vật liệu nhựa nhiệt dẻo có thể được khảo sát từ trạng thái lỏng sang trạng thái rắn bằng cách thực hiện các thí nghiệm làm lạnh từ nhiệt độ trên nhiệt độ nóng chảy đến điểm tái kết tinh .

Các điều kiện thí nghiệm sau đây được sử dụng để phân tích các mẫu chất lỏng.

Các tần số đo: 1 Hz

Áp suất: 4 PSI

Tốc độ gia nhiệt: 2 ° C / phút & 3 ° C / phút

Chế độ: 35mm Dual cantilever

Một số mẫu đã được nghiên cứu để đánh giá sự phù hợp của ngăn chứa chất lỏng đối với đặc điểm của trạng thái đông lạnh của chất lỏng. Các mẫu này là:

• Nước để nhận biết sự tan chảy của nước đá. • Dung dịch Sucrose 40wt%

• Sữa tắm thương mại

• Siro vàng

CÁC KẾT QUẢ

Phân tích nước bằng DSC và DMA

Nước được chuyển vào ngăn chứa chất lỏng bằng pipet. Sau đó, giá đỡ được lắp vào khung công xôn kép 35 mm và được kẹp ở áp suất 4 PSI. Tiếp theo, mẫu được làm lạnh xuống -80 ° C tạo thành băng trong ngăn chứa trong khi nước đóng băng. Trong quá trình làm nguội, mẫu không bị biến chất, nó chỉ được giữ yên trong giàn công xôn kép cho đến khi đạt đến nhiệt độ ban đầu -80 ° C. Mẫu được thử ở tốc độ gia nhiệt 2 ° C / phút.

Các phép đo DSC đã được thực hiện ở cùng tốc độ gia nhiệt để có thể so sánh kết quả giữa DSC và DMA. Các kết quả được thể hiện trong hình 1. DMA phát hiện băng tan là một sự suy giảm một bước lớn trong mô đun lưu trữ. Khi băng tan, độ cứng của ngăn chứa giảm đáng kể do sự thay đổi pha mà băng đi qua. DSC cho một đỉnh thu nhiệt lớn khi băng tan trong một phạm vi nhiệt độ rất giống nhau.

Sự bắt đầu tan chảy được xác định ở 1,32 ° C khi được DMA điều tra và được xác định ở -0,39 ° C bởi DSC. Thỏa thuận là tuyệt vời giữa các kỹ thuật, ở một mức độ lớn được mong đợi vì giá đỡ bằng thép không gỉ sẽ đảm bảo truyền nhiệt tuyệt vời đến mẫu và loại bỏ phần lớn các gradient nhiệt trong mẫu và giúp cải thiện độ phân giải của quá trình chuyển đổi. . Với DSC, đây không phải là vấn đề vì khối lượng mẫu nhỏ được sử dụng trong phân tích và thực tế là chảo chứa mẫu được làm nóng một cách dẫn điện chứ không phải bức xạ như trường hợp của các thí nghiệm DMA. Có thể thấy rằng độ rộng của băng tan được đo bằng DMA tương tự như do DSC quan sát được, một dấu hiệu cho thấy độ phân giải ở mức tương tự với dữ liệu do DSC tạo ra.

Phân tích DSC & DMA của dung dịch Su- crose 40wt%.

Dung dịch sacaroza được tạo thành bằng cách sử dụng nước ấm và đường sacaroza thương mại. Khi đường sacaroza đã hòa tan hoàn toàn trong nước, dung dịch được chuyển bằng pipet vào ngăn chứa và được nạp vào giàn công xôn kép của DMA. Giá đỡ được siết chặt trong kẹp công xôn kép ở áp suất 4 PSI. Sau đó, nó được làm nguội đến nhiệt độ ban đầu và được làm nóng với tốc độ 3 ° C mỗi phút lên đến 30 ° C trong nhiệt độ hoặc để mô tả những thay đổi về độ nhớt diễn ra ở trạng thái đông đặc của chất tan này. Hình 2 cho thấy các kết quả từ phép đo DMA và hình 3 là lớp phủ của các kết quả DSC và DMA thu được trên các dung dịch sacaroza.

  Dữ liệu DMA cho thấy khả năng thư giãn β có nhiệt độ khởi phát khoảng - 75 ° C. Điều này cũng được quan sát thấy là sự sụt giảm mô-đun bảo quản (là định tính và là thước đo độ cứng kết hợp của Giá đỡ và cấu trúc đông lạnh chứa trong giá đỡ) trong khoảng từ -80 ° C đến -40 ° C. Ở nhiệt độ -35 ° C và -26 ° C thì mô đun lưu trữ đo được sẽ giảm nhanh chóng, điều này có thể liên quan đến sự hòa tan nước đá. Trong khoảng từ -26 ° C đến -22 ° C, mô-đun bảo quản giảm nhanh được xác định, điều này rất có thể là do sự tan chảy của cấu trúc đông lạnh còn lại trong ngăn chứa. Các đỉnh được quan sát thấy trong mô đun mất mát và các dấu hiệu tan ở khoảng -26 ° C, điều này sẽ do cấu trúc băng tan chảy.

Dữ liệu DSC được tạo cho mẫu này được chồng lên với mô đun lưu trữ định tính được đo bằng DMA. Sự thay đổi bước thu nhiệt được quan sát thấy trong tín hiệu dòng nhiệt DSC trong khoảng từ -55 ° C đến -40 ° C cho thấy không có sự thay đổi đáng kể nào về độ cứng đo được trong cùng phạm vi nhiệt độ này khi được DMA điều tra. Trong khoảng từ -34 ° C đến -25 ° C có một phản ứng thu nhiệt rõ rệt trong dữ liệu DSC cho mức độ này có thể là do sự hòa tan của nước đá. Sự suy giảm mô đun bảo quản cũng được quan sát thấy trong phạm vi nhiệt độ này cho thấy rằng về độ cứng, dung dịch sacaroza đông lạnh sẽ mềm đi trong quá trình hòa tan nước đá có thể xảy ra này. Ở -26 C, DMA phát hiện ra sự suy giảm lớn và nhanh chóng trong mô đun lưu trữ đo được do sự bắt đầu tan chảy của dung dịch sacaroza đông lạnh. Điều này so sánh tốt với sự bắt đầu tan chảy được phát hiện bởi DSC.

Phân tích sữa tắm bằng DMA

Một loại sữa tắm có bán trên thị trường đã được nghiên cứu bằng cách sử dụng ngăn chứa chất lỏng và bởi DSC vì những lý do so sánh. Sữa tắm được nạp vào ngăn chứa và giá đỡ sau đó được kẹp trong cấu hình công xôn kép. Mẫu được làm nguội đến nhiệt độ ban đầu là -80 ° C và giữ ở đó trong vài phút trước khi bắt đầu biến dạng mẫu. Sau đó, nó được làm nóng với tốc độ 3 ° C mỗi phút.

Hình 4 cho thấy rằng khi gia nhiệt bằng DMA, sự chuyển đổi thủy tinh được quan sát thấy khi một bước suy giảm trong mô đun lưu trữ và các đỉnh được quan sát rõ ràng trong mô đun suy hao và tín hiệu tan đối với sự chuyển đổi thủy tinh. DMA phát hiện sự chuyển đổi thủy tinh giữa - 47 ° C và -30 ° C. Các đỉnh trong mô đun tổn thất và tan δ được quan sát lần lượt ở -39,9 và -38,7 ° C. Khi nhìn vào DSC của mẫu này, rõ ràng là một quá trình chuyển đổi đang diễn ra ở trạng thái đông lạnh ở nhiệt độ -50 ° C nhưng không rõ ràng từ những dữ liệu này rằng đó thực sự là quá trình chuyển đổi thủy tinh. . Dữ liệu DMA cho thấy rõ ràng sự hiện diện của sự chuyển đổi thủy tinh ở trạng thái đông lạnh, chứng tỏ độ nhạy cao hơn mà DMA như một kỹ thuật có hơn DSC.

Phân tích Golden Syrup của DMA và DSC

Golden Syrup là một chất lỏng nhớt ở nhiệt độ môi trường. Nó được sử dụng để nấu ăn và đóng băng, chuyển đổi thành thủy tinh amor-phous. Vật liệu này được phân tích bằng cách sử dụng giá đỡ chất lỏng DMA và bằng Phép đo nhiệt lượng quét khác biệt để mô tả sự chuyển đổi của thủy tinh. Đối với thước đo DMA, một số xi-rô vàng được nạp vào ngăn chứa chất lỏng và sau đó ngăn chứa được nạp vào bộ cố định công xôn kép của DMA. Giá đỡ được siết chặt trong các kẹp đến áp suất 4 PSI. Mẫu được làm nguội đến nhiệt độ ban đầu - 80 ° C mà không có biến dạng áp dụng cho mẫu khi làm mát tức là giá giữ được giữ ở vị trí tĩnh xuống nhiệt độ ban đầu để cho phép vật liệu chuyển sang dạng thủy tinh mà không bất kỳ sai số cơ học nào của mẫu.

 Khi ở nhiệt độ bắt đầu, động cơ đã được bật và mẫu được làm nóng ở 3 ° C mỗi phút lên đến nhiệt độ môi trường xung quanh. Một thí nghiệm cũng đã được thực hiện trên Golden Syrup bởi DSC, nơi một khối lượng mẫu nhỏ được tải vào một chảo mẫu kín, làm nguội đến nhiệt độ ban đầu là -80 ° C và sau đó được làm nóng với tốc độ 3 ° C / phút đến nhiệt độ môi trường xung quanh. - nhiệt độ ent. Kết quả của các thí nghiệm DMA và DSC trên mẫu này được thể hiện trong hình 5.

Các kết quả ở trên cho thấy rõ ràng rằng DMA có thể xác định độ truyền thủy tinh của Golden Syrup như một bước xác định lớn trong mô-đun lưu trữ (là một tín hiệu định tính và bao gồm độ cứng đi kèm của giá đỡ bằng thép không gỉ và mẫu được đề cập) như mong đợi. Các đỉnh được quan sát thấy trong mô đun mất mát và tín hiệu tan δ ở -33 và -32 ° C tương ứng như mong đợi ở Tg. Một vai được quan sát thấy trong mô-đun mất mát và đỉnh tan at ở khoảng -25 ° C cho thấy sự hiện diện của một quá trình chuyển đổi có thể xảy ra tiếp theo. Không có gì được quan sát thấy trong khu vực này khi mẫu được điều tra bởi DSC. DSC xác định Tg là một bước suy giảm trong phản ứng dòng nhiệt đo được và điều này đã được phân tích để đưa ra nhiệt độ bắt đầu, điểm giữa và nhiệt độ cuối cài đặt cho Tg ở - 51 ° C, -47 ° C và -44 ° C tương ứng. Có sự thay đổi vị trí của Tg khi so sánh dữ liệu DSC và DMA, một phần sẽ là hệ quả của sự khác biệt về tần số đo được sử dụng để xác định Tg (1Hz với DMA và 0Hz đối với đo DSC). Sự khác biệt cũng có thể là do tính dẫn nhiệt của Golden Syrup có thể dẫn đến sự dịch chuyển lên trên khi được đánh giá bởi DMA vì khối lượng mẫu được sử dụng lớn hơn đáng kể. Nếu Golden Syrup có độ dẫn nhiệt kém (rất có thể xảy ra vì nó hoàn toàn vô định hình trong tự nhiên) thì điều này sẽ có tác dụng “đẩy” Tg lên một nhiệt độ cao hơn. Có lẽ tốc độ gia nhiệt chậm hơn đối với thí nghiệm DMA sẽ làm giảm sự khác biệt quan sát được giữa vị trí DSC và DMA Tg đối với nhiệt độ.

THẢO LUẬN VÀ KẾT LUẬN

Bộ phận giữ chất lỏng đã chứng tỏ một công cụ hữu ích để xác định đặc tính của trạng thái đông đặc của chất lỏng. Nó đã cho thấy nhiều lợi ích bao gồm:

• Khả năng đo sự tan chảy của nước mang lại quy trình hiệu chuẩn nhiệt độ tuyệt vời cho ngăn chứa chất lỏng. Nó cũng cho phép các transions nóng chảy được DMA phát hiện dễ dàng.

• Khảo sát về dung môi sacaroza cho thấy rằng không có trạng thái thủy tinh được hình thành khi làm lạnh dưới các điều kiện được sử dụng cho mẫu này. Sự hiện diện / không có trạng thái thủy tinh đối với các dung dịch như vậy đã là chủ đề của cuộc tranh luận học thuật đáng kể trong nhiều năm nhưng phần lớn đã tỏ ra không hợp lý vì không có cơ sở để đo lường các tính chất cơ học của các dung dịch đông lạnh đó. Đây là một lĩnh vực quan trọng đối với ngành công nghiệp thực phẩm và có khả năng dẫn đến sự quan tâm đáng kể đối với cách tiếp cận này nhằm làm rõ cấu trúc của các cấu trúc mở rộng. Máy đo lưu biến không thể mô tả trạng thái đông lạnh của các dung dịch như vậy vì độ cứng của mẫu đông lạnh của hệ thống dựa trên nước (sự tuân thủ trở nên quan trọng ở trạng thái đông lạnh).

• Việc phân tích sữa tắm có ý nghĩa quan trọng. Các công thức chăm sóc sức khỏe phức tạp thường được đầu tư bằng các kỹ thuật lưu biến để kiểm soát chất lượng, v.v. nhưng kết quả thường không thuyết phục. Bằng cách có một kỹ thuật có thể đặc trưng cho các chuyển đổi nhạy cảm trong công thức (chẳng hạn như Tg), một cách tiếp cận đáng tin cậy và phương pháp hơn để nghiên cứu và phát triển và kiểm soát chất lượng có thể được sử dụng với ngăn chứa chất lỏng.

Các lĩnh vực khác mà chủ sở hữu này sẽ trở nên hữu ích bao gồm, nhưng không giới hạn ở những điều sau:

• Nghiên cứu quá trình đóng rắn của nhựa Hàng không vũ trụ và chất kết dính

• Đặc trưng cho thực phẩm đông lạnh - Kem, dung dịch Sucrose, nước sốt, v.v.

• Xác định nhiệt độ chuyển thủy tinh của các dung dịch sẽ được làm khô đông lạnh. Nhiều sản phẩm thực phẩm và dược phẩm được làm khô bằng đông lạnh và việc xác định nhiệt độ Tg của các dung dịch đó là rất quan trọng để khi sấy đông lạnh, nhiệt độ Tg không bị vượt quá nếu không sẽ xảy ra “Sập sản phẩm”.

 

Bảng một số thông số kỹ thuật sản phẩm DMA 850 của TA Instruments