Caracterização Termofísica de Materiais por Calorimetria Diferencial de Varredura (DSC)

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1 PROJETO DE COOPERAÇÃO SUL-AMERICANA EM IDENTIFICAÇÃO DE PROPRIEDADES FÍSICAS EM TRANSFERÊNCIA DE CALOR E MASSA Caracterização Termofísica de Materiais por Calorimetria Diferencial de Varredura (DSC) Eduardo Kirinus Tentardini, D.Sc Toseli de Farias Matos, M.Sc

2 Sumário análise térmica como funciona um DSC? metodologia de uso do DSC quais as aplicações do DSC? interpretações de curvas de DSC DSC Q1000 análise de casos projetos

3 ANÁLISE TÉRMICA Análise térmica é o conjunto de técnicas que permite medir as mudanças de uma propriedade física de uma substância e/ou de seus produtos de reação em função da temperatura e do tempo, enquanto a substância é submetida a uma programação controlada de temperatura.

4 COMO FUNCIONA UM DSC? Gás de arraste: entrada saída R A Termopares Fonte de calor Tampa do forno Disco termoelétrico DSC é a técnica que mede temperatura e fluxo de calor associados a transições em materiais como uma função do tempo e da temperatura em uma atmosfera controlada.

5 COMO FUNCIONA UM DSC? q q = T T = ( ) r a dt R r R + T0 Rr R Rr Ra a + C C dt a d T C r dt Fluxo de calor Diferença entre a resistência e capacidade térmica entre a amostra e a referência (calor específico) Diferença entre razão de aquecimento entre a amostra e a referência (fusão)

6 Fluxo de calor mw/mg)) exo Transição vítrea Reação exotérmica Reação endotérmica Temperatura (ºC) Exemplo de uma curva obtida por DSC

7 As transições de primeira ordem apresentam variação de entalpia - endotérmica ou exotérmica - e dão origem à formação de picos. As transições de segunda ordem caracterizam-se pela variação de capacidade calorífica porém sem variações de entalpia. Não geram picos nas curvas de DSC, apresentando-se como um deslocamento da linha base.

8 METODOLOGIA DE USO DO DSC preparação da amostra; panelas; calibração do equipamento; atmosfera; aquecimento e resfriamento.

9 ^exo Taxa de aquecimento alta 20 mw Taxa de aquecimento baixa DEMO Version METTLER TOLEDO STA TAR e System Diferença entre diferentes taxas de aquecimento na análise por DSC C

10 QUAIS AS APLICAÇÕES DO DSC? transição vítrea (mudança de linha base) calor específico (mudança de linha base) fusão (endotérmico) cristalização (exotérmico) oxidação (exotérmico) pureza (endotérmico) cinética de reação (endo e exotérmico) estabilidade térmica (endo e exotérmico)

11 INTERPRETAÇÃO DAS CURVAS DE DSC Curva de DSC da análise de um polímero hipotético

12 Metodologia de obtenção das curvas 1. Escolher as condições experimentais de acordo com os fenômenos esperados; 2. Verificar os resultados comprovando o peso e com uma inspeção visual; 3. Considerar a influência da atmosfera, taxa de aquecimento, material do cadinho e pressão sobre a reação ou transição.

13 Tzero e MDSC Autosampler/Autolid Mass Flow Touch Screen Display

14 Sensibilidade dos DSC linha Q

15 Autosampler

16 Controlador mass flow

17 LNCS

18 RCS

19 Análise de pureza por DSC Sample: indio Size: mg Method: Ramp Comment: DSC - teste de repetibilidade (10X) 2 DSC File: Repetição 01 indio - DSC - LNCS - H m... Operator: Eduardo e Toseli Run Date: :49 Instrument: DSC Q1000 V9.0 Build Heat Flow (W/g) C Purity: 100.0mol % Melting Point: C (entered) Depression: C Delta H: 3.263kJ/mol (entered) Correction: 20.00% Molecular weight: 114.8g/mol Cell Constant: Onset Slope: mW/ C RMS Deviation: 0.17 C C Temperature ( C) Exo Up Total Area / Partial Area Temperature ( C) Universal V4.1D TA Instruments

20 Formação de intermetálicos Al+H13 - reações começam em temperaturas abaixo de 500 o C. - reações ocorrem muito perto uma da outra, o que dificulta parar o processo entre aos picos. P.F. alumínio - em altas taxas de aquecimento a reação inicial provavelmente inicia as reações subseqüentes, produzindo um pico único.

21 H13+Al 20 o C/min Intermetálicos Fe-Al Fe Al Intensidade Relativa θ

22 1 0-1 exo Al+TiN - reações ocorrendo em 587º C e 660ºC. mw/mg reações ocorrem muito perto uma da outra, o que dificulta parar o processo entre os picos sem indícios de fusão de alumínio. Temperatura ( o C)

23 TiN Al TiAl 3 (Ti,Al)N! "#" Al+TiN θ

24 CrN +Al - reação exotérmica em 810ºC.

25 Al CrN $ % $% & Temperatura ( o C) θ

26 2 Amostra A / Al 1 exo mw/mg o C/min 5 o C/min 20 o C/min (Ti,Al)N (70/30) +Al - reação exotérmica em 700ºC o C/min Temperatura ( o C)

27 Amostra A / Al Al (Ti,Al)N Intensidade Relativa TiAl3 após DSC 1000 o C (Ti,Al)N (70/30) +Al como depositado θ

28 2 amostra C / Al 1 mw/mg C/min 15 0 C/min 10 0 C/min 5 o C/min Temperatura ( o C) (Ti,Al)N (50/50) +Al - picos exotérmicos acima de 800ºC. - reações ocorrem muito perto uma da outra, o que dificulta parar o processo entre aos picos.

29 Amostra C / Al Al (Ti,Al)N Intensidade Relativa TiAl 3 após DSC C (Ti,Al)N (50/50) +Al como depositado θ

30 3 Amostra E / Al 2 mw/mg exo 20 o C/min 15 o C/min 10 o C/min 5 o C/min (Ti,Al)N (30/70) +Al -sem presença de picos exotérmicos, sendo o único pico visível o da fusão do alumínio Temperatura ( o C)

31 Amostra E / Al Al (Ti,Al)N Intensidade Relativa após DSC C (Ti,Al)N (30/70) +Al como depositado θ

32 Projetos DSC INMETRO análises de óleos lubrificantes; pureza de etanol; análise de polímeros a temperaturas subzero; testes proficiência; produção de material de referência; parcerias com laboratórios que possuam DSC;