Dynamische Differenzkalorimetrie

      Die Dynamische Differenzkalorimetrie (DDK) (engl.: Differential Scanning Calorimetry – DSC) ist ein Verfahren zur Messung von abgegebener/aufgenommener Wärmemenge einer Probe bei isothermer Arbeitsweise, Aufheizung oder Abkühlung.

Weiteres empfehlenswertes Fachwissen

Leitfaden zu den grundlegenden Laborkenntnissen

Richtiges Wägen mit Laborwaagen: Die Wägefibel

Was ist die Empfindlichkeit meiner Waage?

Messprinzipien

Ein verkapselter Behälter, Tiegel genannt, mit einer Probe, z. B. PVC, und ein zweiter Behälter ohne Inhalt (Referenz) werden einem gleichartigen Temperaturprogramm ausgesetzt. Dabei kommt es infolge der Wärmekapazität der Probe und exothermen oder endothermen Prozessen bzw. Phasenänderungen wie Schmelzen oder Verdampfen zu Temperaturänderungen ΔT im Vergleich zur leeren Probe (T_Ref), da thermische Energie in den oder aus dem entsprechenden Prozess fließt.

Im Gegensatz zur älteren Differential-Thermoanalyse (DTA) wird bei der DSC diese Temperaturdifferenz nicht direkt als Messsignal verwendet, sondern auf den Wärmestrom als Messgröße geschlossen. Dafür stehen zwei Verfahren zur Verfügung.

Dynamische Wärmestromdifferenzkalorimetrie

Bei diesem auch Heat flux DSC genannten Typ werden die Enthalpieänderungen (Wärmestrom) durch Integration der ΔT-T_Ref-Kurve berechnet. Dabei befinden sich Stellflächen für Probe und Referenz im Ofen auf einer Scheibe (Disk type measuring system), welche eine gute Wärmeleitfähigkeit besitzt und unter welcher die Temperaturfühler sitzen. Wird der Ofen erhitzt, so fließt die Wärme durch die Probe/Referenz in die Scheibe und wird dort mittels der Fühler abgenommen. Sind Probe und Referenz gleich, fließen gleich große Wärmeströme durch die Scheibe. Die Wärmestromdifferenz ist damit null. Verändert sich während der Messung eine Probe, z. B. durch Umwandlung, Schmelzen, Verdampfen, entsteht eine Differenz im Wärmestrom, welche proportional zur Temperaturdifferenz ist (Φ_FP-Φ_FR ~ ΔT wobei Φ_FP der Wärmestrom der Probe und Φ_FR der Wärmestrom der Referenz und ΔT die Differenz der Temperatur ist).

Dynamische Leistungsdifferenzkalorimetrie

Bei diesem auch Power compensating DSC genannten Typ werden Probe und Referenztiegel in thermisch isolierte Öfen gebracht und diese so geregelt, dass auf beiden Seiten stets die gleiche Temperatur herrscht. Die dafür notwendige elektrische Leistung wird als Funktion der Temperatur aufgezeichnet.

Anwendungen

Mit der DSC können u.a. folgende Bestimmungen durchgeführt werden:

• Schmelz- und Glasübergangstemperaturen (besonders für Kunststoffe)
• kinetische Betrachtungen chemischer Reaktionen
• spezifische Wärmekapazität

Ein weiteres typisches Anwendungsgebiet ist die Bestimmung der Reinheit von Substanzen aufgrund der durch Verunreinigungen auftretenden Schmelzpunktänderung.

Simultane Applikationen

Für spezielle Untersuchungen gibt es inzwischen auch Möglichkeiten, eine Probe während der DSC-Messung auch noch gravimetrisch zu untersuchen. Diese Kombination nennt man DSC-TG (TG = Thermogravimetrie) oder STA (Simultane Thermoanalyse). Dabei wird neben dem DSC-Signal noch der Massenverlust mit aufgezeichnet. Zusätzlich können die dabei abgegebenen Gase sogar noch mittels Infrarot-Spektroskopie oder Massenspektrometrie analysiert werden.

Literatur

• DIN 53765, DIN 51007, ASTM E 474, ASTM D 3418
• W. F. Hemminger, H. K. Cammenga: Methoden der Thermischen Analyse, Springer-Verlag. ISBN 3-540-15049-8 (dt. Ausgabe), ISBN 0-387-15049-8 (engl. Ausgabe)