Diferansiyel Taramalı Kalorimetri (DSC)

Diferansiyel Taramalı Kalorimetri (DSC), bir numune ile referans arasındaki ısı akısı farkını ölçerek maddenin fiziksel ve kimyasal dönüşümlerini incelemeye yarayan bir termal analiz yöntemidir. Özellikle faz geçişleri (örneğin erime, kristallenme, cam geçişi), kimyasal reaksiyonlar ve özgül ısı kapasitesi gibi parametrelerin tayininde yaygın olarak kullanılır. DSC cihazları, 1960’lı yıllarda geliştirilmiş ve aynı on yıl içinde ticari olarak piyasaya sürülmüştür. Günümüzde DSC, başta polimer karakterizasyonu olmak üzere ilaç, gıda, seramik ve metalurji alanlarında yaygın olarak kullanılmakta; polimer analizlerinde %80’i aşan bir kullanım oranına sahiptir.

^DSC (1)

DSC yönteminde, numune ve referans aynı sıcaklık programına tabi tutulurken, her ikisine uygulanan ısıtma işlemi sırasında oluşan ısı farkı ölçülür. Isı farkları, termoçift sensörler aracılığıyla elektriksel sinyale dönüştürülerek kaydedilir. Ölçülen bu ısı farkı, numunenin geçirdiği fiziksel ya da kimyasal olaylara bağlı olarak değişir.

• Endotermik olaylar, örneğin bir polimerin erimesi, sistemin dışarıdan enerji absorpladığı süreçlerdir ve genellikle 100–200 J/g arası entalpi değişimiyle karakterizedir.
• Ekzotermik olaylar, kristallenme ya da oksidasyon gibi enerji açığa çıkan süreçlerdir.

Modern DSC cihazları, ±0,1 µW düzeyinde bir ısı akısı hassasiyetine sahiptir. Isıtma hızları 0,1 °C/dk ile 100 °C/dk arasında programlanabilir. Ölçüm aralığı sıvı azot kullanımı ile -180 °C’ye kadar düşürülebilir; bazı sistemlerde üst sınır +700 °C’ye kadar çıkabilir.

^DSC (2)

DSC cihazları genel olarak şu bileşenlerden oluşur:

• Fırın: Numune ve referansın yerleştirildiği, sıcaklık kontrollü bölme.
• Sensör sistemi: Termoçift veya ısı akısı sensörleri.
• Soğutma ünitesi: Genellikle sıvı azot kullanılarak düşük sıcaklıklar sağlanır.
• Veri toplama sistemi: Isı akısı, sıcaklık ve zaman verilerinin eşzamanlı olarak kaydedildiği yazılım sistemi.

Yeni nesil cihazlar, modüle edilmiş DSC (MDSC) teknolojisiyle, sinyallerin zaman bazlı ayrıştırılmasını sağlar. Bu, düşük entalpili olayların daha net yorumlanmasına imkân tanır.

DSC, birçok endüstride farklı uygulama amaçlarıyla kullanılmaktadır. Türkiye’de ODTÜ, YTÜ, GTÜ gibi kurumlarda yer alan merkezi araştırma laboratuvarlarında aktif olarak kullanılmakta ve çeşitli test hizmetlerinde değerlendirilmektedir.

Polimer: Cam geçiş sıcaklığı (Tg), erime noktası, kristallenme.

İlaç: Polimorf analizleri, saflık tayini (%99 doğrulukla).

Gıda: Kakao yağı kristallenme davranışı, nişasta jelatinizasyonu.

Metalurji: Alaşımların faz geçiş sıcaklıkları, ısıl kararlılık.

Kompozitler: Kürleşme profilleri, reaksiyon kinetiği.

Küçük miktarda numune ile (yaklaşık 5–10 mg) hızlı ve hassas analiz olanağı sağlar.

Geniş sıcaklık aralığı ve atmosfer kontrolü mümkündür.

Hem fiziksel hem kimyasal olaylar eşzamanlı incelenebilir.

Yüksek tekrar edilebilirlik ve otomasyon uyumu mevcuttur.

Düşük entalpiye sahip olaylarda sinyal gürültüsü artabilir.

Karmaşık örneklerde üst üste binen olayların ayrıştırılması zordur.

Çözüm yolları: Modüle DSC sistemleri kullanılarak sinyaller ayrıştırılabilir; yüksek hassasiyetli termoçift sistemleri tercih edilmelidir.

DSC cihazları genellikle bir diferansiyel sensör, fırın, sıcaklık kontrol ünitesi, gaz akış sistemi ve veri toplama ünitesinden oluşur. Ölçüm sıcaklık aralıkları cihaz modeline göre değişmekle birlikte genellikle -150 °C ile 700 °C arasında değişebilir. Bazı gelişmiş modeller, yüksek basınç altında ya da çok düşük sıcaklıklarda çalışabilmektedir.