DSC 的進化 - C80 卡爾維式三維量熱儀

分類:Press Release 發佈:2016-05-29, 週日
C80 卡爾維式三維量熱儀

C80三維微量熱儀是法國SETARAM公司研製開發的新一代卡爾維式量熱儀 (3D CALVET Calorimeter)。其熱感測器是由大量熱電偶 (Thermal Couple) 組成,並排列成圓柱形陣列(從上往下一共9環,每環38個熱電偶),用以檢測樣品向各個方向的熱流。C80是唯一讓溫度感測器完全包覆樣品,並在量熱過程中,將樣品視為「一個點」的儀器(一般 DSC,無法考慮樣品本身可能發生熱流的情況)。關於測量比熱、熱容,可能發生的不確定性,可參考本文「測量聯苯/聯苯醚此類低共熔混合物熱容量時,所產生的不確定性計算」,並可下載 PDF 原文 (Heat Capacity Uncertainty Calculation for the Eutectic Mixture of Biphenyl/Diphenyl Ether Used as Heat Transfer Fluid)。

C80是研究複雜反應最佳的量熱儀,由於配置超過300以上的熱電偶來量熱,以及相對更大容量的樣品室,更適用於動態壓力測量,樣品混合,氣體引入等多樣化的實驗與研究。

樣品被放置於檢測器的中央,C80的量熱效率由傳統DSC的20% - 40%,提高到94%,具有非常高的靈敏度和準確性。

反應爐內有設置有獨立的樣品槽 (sample cell) 和參考槽 (reference cell),樣品槽內存放待測樣品,樣品量通常在幾百毫克到幾克之間。參考槽內放與樣品槽同等質量的惰性物質,以減小熱容影響。

SETARAM C80 3D Calvet Calorimeter Structure

SETARAM C80 內部構造

C80微量熱儀的測定原理與DSC (熱示差掃描量熱儀,亦稱為,差示掃描量熱儀) 相似,即實驗在程序溫度控制下,測量輸入到被測物質和參考物質之間的能量差(或功率差)隨溫度的變化規律。C80可測定各類化學以及物理過程的熱效應、熱物性參數以及壓力特性,求解各類化學物質的化學動力學參數和熱力學參數。

Performance of C80 Calorimeter

與一般 DSC 相較,具有更高量熱效率

C80量熱儀的特色與優點

C80 能夠配置特定的樣品槽,執行各式各樣的實驗。它內建高精密度微電腦加熱控制器 (白金阻抗式),能夠靈敏地控制溫度,讓樣品槽內部的樣品,能夠模擬特殊的環境及溫度變化,C80 具有以下的特色與優點:

  1. C80可測試單一樣品在恆溫條件下發生分解、相變、氧化、裂解等物理化學變化時吸收或釋放的熱量;
  2. C80可測量固-固、固-液、氣-固、液-液等兩相物質混合、吸附、脫附或發生反應時產生的熱量吸收或放出;
  3. 配有精密壓力傳感器的反應池還可隨時精確測量和顯示反應池內由於分解等產生的壓力情況;
  4. 以非常穩定的恆定小速率程序升降溫,能夠更精準量測不容易量測的比熱 (熱容)。

尤其對於難測的比熱,C80 陣列式與3D包覆的量測,更能發揮以上優點。相較於一般 DSC 量熱儀,只測試樣品的某一點,而忽略熱在樣品上的流動。三維卡爾維式量熱儀,則將樣品上下四週完全包覆,完整測量樣品的熱狀態。(能把樣品變成一個熱點,而不是一個向量)

C80具備多種專用樣品槽

C80具有多種不同形式的樣品槽,可根據樣品槽的應用範圍,從事各種不同的研究及應用。並可根據其原理特點自行設計改進、製作不同反應領域的樣品槽。

此外,還可以從外部引入不同的氣體、液體進行多種目的的混合實驗。它可以進行一般示差掃瞄量熱儀(DSC)做不到的反應熱試驗。通過選配不同功能的樣品槽,C80可以完美地實現用於合成安全研究,及其相關儀器所擁有的功能。

1. 大容量樣品槽

Batch Cell

可容納大樣品量的標準槽,容積12.5ml,適用大多數測試,包括融化、結晶、相轉變、分解、反應、聚合等熱效應測量,恆溫模式下可進行藥物的多晶形篩選。

  • 哈氏合金有蓋圓柱形容器,與外界完全密閉
  • 有量種壓力型號,5 bar 一般型,以及 100 bar 高壓型

2. 氣體 (流體) 循環樣品槽

Gas Circulation Vessel

本樣品槽可用於研究的氣態氣氛對液體或固體樣品,所形成的,氧化,還原,吸附,加氫或受控濕度的影響效果。可實現氣-液,或氣-固混合反應測試。亦可通入惰性氣體保護樣品,並通入載氣測試其吸收熱或反應熱;還可研究濕潤氣氛中的藥品性質,預測藥品在不同氣候條件下的性質變化。

樣品槽可讓液體流動,並檢查液體吸附的現象:

  • 具有反應物入口,來引入流體(氣體,液體)來接觸樣品,並研究樣品的反應 - 具有兩個同軸管提供氣體入口和氣體出口
  • 提供兩種壓力版本,一般(5 bar)和 高壓 (100 bar)

3. 薄膜混和樣品槽

Membrane Mixing Cell

可實現對兩種物質(固-固、固-液、液-液)的混合,且可進行攪拌。

在恆溫條件下,研究其混合反應、溶解、水化、中和、聚合等熱效應,獲得反應熱焓及完全反應時間等數據,可藉此研究藥物相容性;樣品槽甚至能夠定量加料,以此進行等溫加料反應過程熱聚集,也可進行鼓泡攪拌研究攪拌效應。同時,本樣品槽,可以連接壓力感測器,來觀測反應過程中,壓力的產生,可達到200 bar 以上。

  • 兩個隔室以一層薄膜分離。其中一種物質,被放置在下部隔室(2.5毫升),另外的樣品放在上部隔室(2.9毫升)中。這兩種物質穿透薄膜孔隙而混和,混和過程是透過旋轉的穿孔機/攪拌器產生的。攪拌可以用手工,或小型電動機的輔助下完成。
  • 材質有\不銹鋼或鎳基合金,並可選擇鋁製或 PTFE 薄膜

4. 倒立混和樣品槽

Reversal Mixing Cell   C80 Reverse Position

用以研究的兩種物質(固體或液體)的混和,可測量熱的相互作用:

  • 兩種不同的樣品可容納分離隔開。一種物質被放置在下部隔間,另外的一種物質在上部隔間。
  • 樣品的混合透過反轉量熱計(使用反轉機構裝置)來達成
  • 有3種版本容積的樣品槽可選(下部隔間/上部隔間):0.6毫升/5.0毫升,1.3毫升/4.2毫升,2.5毫升/2.0毫升。材質為不銹鋼或哈氏合金

5. 雙腔體安瓿混合樣品槽 - 浸入式量熱

Ampoule Mixing Cell - Immersion Calorimetry

用來研究的粉末和液體之間的反應(主要是潤濕或水化反映):

  • 固體、粉末樣品置於安瓿瓶內,並密封在真空下。然後將安瓿置於包含液體的容器腔體內
  • 按下頂端的連桿,打破安瓿,讓液體和固體混合

6. 高壓大容量樣品槽

High Pressure “Batch” Cell

配備高壓樣品槽,可實現高壓條件下的等溫和掃瞄量熱功能,適用於大多數壓力測試、反應熱和分解熱的測定,並能執行測量氣體放出的間歇反應等。主要可測量樣品的轉化,分解,熱性能,固體或液體的熱容量

用於反應篩選,危害性評估,催化劑評估,從而可辨識及預判生產中可能導致危險情況的事件。

  • 帶有密上蓋的圓柱形容器,能夠保證樣品與外部隔離
  • 高壓可高達100 bar,最大溫度:300℃,容量8.5毫升 - 材質為不銹鋼或哈氏合金 C276
  • 可重複使用

7. 內置壓力傳感器樣品槽

Cell with Pressure Transducer

同時記錄由樣品釋放的熱量和壓力。而且不需要控制壓力:

  • 抗壓力樣品槽透過一特製的毛細管,被連接到一個高靈敏度壓力感測器。樣品槽放置於C80內,但壓力感測器則是放在外部,連接到 C80 本體。透過SETARAM 專用的量熱軟體 CALISTO ,可記錄壓力信號,並讓此壓力成為時間和溫度的函數。壓力是在樣品槽的頂部被測量,以靠近樣品
  • 最大壓力:350 bar ;最高溫度:300℃;容量:4毫升 材質:哈氏合金C276

8. 加速失效測試、反應安全性樣品槽

Process Safety Cell

由於 C80 微量熱儀可測量高精度數據,可憑借其輸出曲線,以及借助動力學分析和熱平衡條件,來模擬各種反應體系的熱量的傳遞,及溫度壓力效應。 可以獲得系統中的絕熱失效時間 TMR,合成反應的最高溫度 MTSR 等關鍵數據。更可以獲得樣品的自加速分解溫度 SADT。 C80數據結合 AKTS 高等動力學軟體,即可獲得精確的絕熱情況下,化學穩定性及反應失控數據:

本樣品槽的安全單元由三個主要區域構成:
- 本體:由不銹鋼製成,並配有玻璃材質樣品槽
- 工具區:配置用來打破樣品槽的桿子,可批量混合或注射受控氣體/液體。
- 壓力監測區:壓力測量,以供進一步分析氣體排出,或簡單地脫氣系統

操作範圍廣:
- 批量或半批量在環境壓力下混合,伴隨芬接並執行壓力測量
- 用於氣/液反應,或是單純的氣流或簡單地遲滯、惰化反應
- 可以從壓力測量來確定逸出氣體的數量(高達200 bar)

最大壓力為200 bar;最大溫度:300℃;容量:6毫升;材質:不銹鋼和玻璃內膽

9. 受控的固定高壓樣品槽

Controlled Static High Pressure Cell

用來研究天然氣水合物形成/分解,以及研究吸附和脫附:

  • 最高溫度:300℃
  • 最大壓力:1000 bar
  • 容量3.0毫升 - 材質:鉻鎳鐵合金 625

10. 受控的動態高壓樣品槽

Controlled Dynamic High Pressure Cell

根據在動態壓力的模式(控制壓增加或減少)下工作:

鎳鉻鐵合金或鉻鎳鐵合金的圓柱容器中,緊密地靠近兩個導引管

對於動態壓力的條件下,測量可高達600 bar

最高溫度:500℃;容量:3.0毫升;材質鎳鐵合金625,或鎳鉻鐵合金

應用

由於 C80 具備室溫到300°C 的溫度範圍,以及大容量的樣品槽、樣品室,讓這部儀器可滿足廣泛的應用:

生命科學 - 醫藥產品:藉由溶出特性研究藥物多態性,加濕氣氛下的藥物行為,多態/結晶藥物,無定形,生物物種的代謝,藥物中間產品的熱穩定性的研究

化學反應過程安全性:意外壓力下的風險,在事故中的化學合成,及它的熱分解。不同質量與時間下的熱穩定性。推進劑熱老化,熱安全評估。炸藥,含能材料活性研究。熱安全及烤燃模擬。液體推進劑的熱容研究,蒸發焓測定。化學反應的反應熱結晶熱精確測量。

能源:柴油的沸石脫硫,瀝青-鹽混合反應性量測,天然氣水合物形成/分解,催化劑體的表徵,氫(燃料電池)的吸附反應性,核廢料穩定性,熱特性(核能)

食品:食用油中的游離脂肪酸,凝膠形成/解離,溶解研究,熔化,結晶,無定形,穩定性與氧化中和研究。