DSC 的进化 - C80 卡尔维式三维量热仪
C80三维微量热仪是法国SETARAM公司研制开发的新一代卡尔维式量热仪 (3D CALVET Calorimeter)。其热感测器是由大量热电偶 (Thermal Couple) 组成,并排列成圆柱形阵列(从上往下一共9环,每环38个热电偶),用以检测样品向各个方向的热流。
C80是研究复杂反应最佳的量热仪,由于配置超过300以上的热电偶来量热,以及相对更大容量的样品室,用于动态压力测量,混合,气体引入等多样化的实验与研究。
C80微量热仪是法国塞塔拉姆(SETARAM)公司研发,享誉业界的经典微量热仪。
样品被放置于检测器的中央,C80的量热效率由传统DSC的20% - 40%,提高到94%,具有非常高的灵敏度和准确性。
反应炉内有设置有独立的样品槽 (sample cell) 和参考槽 (reference cell),样品槽内存放待测样品,样品量通常在几百毫克到几克之间。参考槽内放与样品槽同等质量的惰性物质,以减小热容影响。
SETARAM C80 内部构造
C80微量热仪的测定原理与DSC (热示差扫描量热仪,亦称为,差示扫描量热仪) 相似,即实验在程序温度控制下,测量输入到被测物质和参考物质之间的能量差(或功率差)随温度的变化规律。C80可测定各类化学以及物理过程的热效应、热物性参数以及压力特性,求解各类化学物质的化学动力学参数和热力学参数。
与一般 DSC 相较,具有更高量热效率
C80量热仪的特色与优点
C80 能够配置特定的样品槽,执行各式各样的实验。它内建高精密度微电脑加热控制器 (白金阻抗式),能够灵敏地控制温度,让样品槽内部的样品,能够模拟特殊的环境及温度变化,C80 具有以下的特色与优点:
- C80可测试单一样品在恒温条件下发生分解、相变、氧化、裂解等物理化学变化时吸收或释放的热量;
- C80可测量固-固、固-液、气-固、液-液等两相物质混合、吸附、脱附或发生反应时产生的热量吸收或放出;
- 配有精密压力传感器的反应池还可随时精确测量和显示反应池内由于分解等产生的压力情况;
- 以非常稳定的恒定小速率程序升降温,能够更精准量测不容易量测的比热 (热容)。
尤其对于难测的比热,C80 阵列式与3D包覆的量测,更能发挥以上优点。相较于一般 DSC 量热仪,只测试样品的某一点,而忽略热在样品上的流动。三维卡尔维式量热仪,则将样品上下四周完全包覆,完整测量样品的热状态。(能把样品变成一个热点,而不是一个向量)
C80具备多种专用样品槽
C80具有多种不同形式的样品槽,可根据样品槽的应用范围,从事各种不同的研究及应用。并可根据其原理特点自行设计改进、制作不同反应领域的样品槽。
此外,还可以从外部引入不同的气体、液体进行多种目的的混合实验。它可以进行一般示差扫瞄量热仪(DSC)做不到的反应热试验。通过选配不同功能的样品槽,C80可以完美地实现用于合成安全研究,及其相关仪器所拥有的功能。
1. 大容量样品槽
配大样品量的标准槽,容积12.5ml,适用大多数测试,包括融化、结晶、相转变、分解、反应、聚合等热效应测量,恒温模式下可进行药物的多晶形筛选。
- 哈氏合金有盖圆柱形容器,与外界完全密闭
- 有量种压力型号,5 bar 一般型,以及 100 bar 高压型
2. 气体 (流体) 循环样品槽
本样品槽可用于研究的气态气氛对液体或固体样品,所形成的,氧化,还原,吸附,加氢或受控湿度的影响效果。可实现气-液,或气-固混合反应测试。亦可通入惰性气体保护样品,并通入载气测试其吸收热或反应热;还可研究湿润气氛中的药品性质,预测药品在不同气候条件下的性质变化。
样品槽可让液体流动,并检查液体吸附的现象:
- 具有反应物入口,来引入流体(气体,液体)来接触样品,并研究样品的反应 - 具有两个同轴管提供气体入口和气体出口
- 提供两种压力版本,一般(5 bar)和 高压 (100 bar)
3. 薄膜混和样品槽
可实现对两种物质(固-固、固-液、液-液)的混合,且可进行搅拌。
在恒温条件下,研究其混合反应、溶解、水化、中和、聚合等热效应,获得反应热焓及完全反应时间等数据,可藉此研究药物相容性;样品槽甚至能够定量加料,以此进行等温加料反应过程热聚集,也可进行鼓泡搅拌研究搅拌效应。同时,本样品槽,可以连接压力感测器,来观测反应过程中,压力的产生,可达到200 bar 以上。
- 两个隔室以一层薄膜分离。其中一种物质,被放置在下部隔室(2.5毫升),另外的样品放在上部隔室(2.9毫升)中。这两种物质穿透薄膜孔隙而混和,混和过程是透过旋转的穿孔机/搅拌器产生的。搅拌可以用手工,或小型电动机的辅助下完成。
- 材质有\不锈钢或镍基合金,并可选择铝制或 PTFE 薄膜
4. 倒立混和样品槽
用以研究的两种物质(固体或液体)的混和,以测量热的相互作用:
- 两种不同的样品分离盖隔开。一种物质被放置在下部隔室,另外的一种物质在上部隔室。
- 在本身混合由反转量热计(使用反转机构装置)来达到
- 有3种版本容积的样品槽可选(下部隔间/上部隔间):0.6毫升/5.0毫升,1.3毫升/4.2毫升,2.5毫升/2.0毫升。材质为不锈钢或哈氏合金
5. 双腔体安瓿混合样品槽 - 浸入式量热
用来研究的粉末和液体之间的反应(主要是润湿或水化反映):
- 固体、粉末样品置于安瓿瓶内,并密封在真空下。然后将安瓿置于包含液体的容器腔体内
- 按下顶端的连杆,打破安瓿,让液体和固体混合
6. 高压大容量样品槽
配备高压样品槽,可实现高压条件下的等温和扫瞄量热功能,适用于大多数压力测试、反应热和分解热的测定,并能执行测量气体放出的间歇反应等。主要可测量样品的转化,分解,热性能,固体或液体的热容量
用于反应筛选,危害性评估,催化剂评估,从而可辨识及预判生产中可能导致危险情况的事件。
- 带有密上盖的圆柱形容器,能够保证样品与外部隔离
- 高压可高达100 bar,最大温度:300℃,容量8.5毫升 - 材质为不锈钢或哈氏合金 C276
- 可重复使用
7. 内置压力传感器样品槽
同时记录由样品释放的热量和压力。而且不需要控制压力:
- 抗压力样品槽透过一特制的毛细管,被连接到一个高灵敏度压力感测器。样品槽放置于C80内,但压力感测器则是放在外部,连接到 C80 本体。透过SETARAM 专用的量热软体 CALISTO ,可记录压力信号,并让此压力成为时间和温度的函数。压力是在样品槽的顶部被测量,以靠近样品
- 最大压力:350 bar ;最高温度:300℃;容量:4毫升 材质:哈氏合金C276
8. 加速失效测试、反应安全性样品槽
由于 C80 微量热仪可测量高精度数据,可凭借其输出曲线,以及借助动力学分析和热平衡条件,来模拟各种反应体系的热量的传递,及温度压力效应。 可以获得系统中的绝热失效时间 TMR,合成反应的最高温度 MTSR 等关键数据。更可以获得样品的自加速分解温度 SADT。 C80数据结合 AKTS 高等动力学软体,即可获得精确的绝热情况下,化学稳定性及反应失控数据:
本样品槽的安全单元由三个主要区域构成:
- 本体:由不锈钢制成,并配有玻璃材质样品槽
- 工具区:配置用来打破样品槽的杆子,可批量混合或注射受控气体/液体。
- 压力监测区:压力测量,以供进一步分析气体排出,或简单地脱气系统
操作范围广:
- 批量或半批量在环境压力下混合,伴随芬接并执行压力测量
- 用于气/液反应,或是单纯的气流或简单地迟滞、惰化反应
- 可以从压力测量来确定逸出气体的数量(高达200 bar)
最大压力为200 bar;最大温度:300℃;容量:6毫升;材质:不锈钢和玻璃内胆
9. 受控的固定高压样品槽
用来研究天然气水合物形成/分解,以及研究吸附和脱附:
- 最高温度:300℃
- 最大压力:1000 bar
- 容量3.0毫升 - 材质:铬镍铁合金 625
10. 受控的动态高压样品槽
根据在动态压力的模式(控制压增加或减少)下工作:
镍铬铁合金或铬镍铁合金的圆柱容器中,紧密地靠近两个导引管
对于动态压力的条件下,测量可高达600 bar
最高温度:500℃;容量:3.0毫升;材质镍铁合金625,或镍铬铁合金
应用
由于 C80 具备室温到300°C 的温度范围,以及大容量的样品槽、样品室,让这部仪器可满足广泛的应用:
生命科学 - 医药产品:藉由溶出特性研究药物多态性,加湿气氛下的药物行为,多态/结晶药物,无定形,生物物种的代谢,药物中间产品的热稳定性的研究
化学反应过程安全性:意外压力下的风险,在事故中的化学合成,及它的热分解。不同质量与时间下的热稳定性。推进剂热老化,热安全评估。炸药,含能材料活性研究。热安全及烤燃模拟。液体推进剂的热容研究,蒸发焓测定。化学反应的反应热结晶热精确测量。
能源:柴油的沸石脱硫,沥青-盐混合反应性量测,天然气水合物形成/分解,催化剂体的表征,氢(燃料电池)的吸附反应性,核废料稳定性,热特性(核能)
食品:食用油中的游离脂肪酸,凝胶形成/解离,溶解研究,熔化,结晶,无定形,稳定性与氧化中和研究。