1. Краткие теоретические сведения
Анализ литературных источников, научно-технической документации и международных стандартов позволил выбрать наиболее эффективные методы исследования связующих, обеспечивающие гармонизацию отечественных методик с зарубежными аналогами. К ним можно отнести широко применяемые в международной экспериментально-методической практике физико-химические методы анализа. Наибольшее распространение среди них получили методы термического анализа.
Термический анализ – метод исследования физико-химических процессов (химических реакций, фазовых переходов, теплоемкости), основанный на регистрации тепловых эффектов, сопровождающих превращение веществ при их нагревании. Разновидностями метода термического анализа являются термогравиметрия, дифференциальный термический анализ, дифференциальная сканирующая калориметрия, синхронный термический анализ (дериватография) и термический механический анализ (дилатометрия). В случае какого-либо фазового превращения первого рода в веществе (или смеси веществ) происходит выделение или поглощение теплоты и на термограмме появляются пики или изгибы.
Простой термический анализ (термогравиметрия – метод, в котором масса регистрируется как функция температуры, и дилатометрия – метод, в котором деформация образца определяется при статической нагрузке как функция температуры) имеет невысокую чувствительность. При малом удельном тепловом эффекте на единицу массы или при небольшом количестве превращающейся фазы пики или изгибы на термических кривых, соответствующие превращению, становятся едва заметными, и такие превращения могут быть не обнаружены. Гораздо большей чувствительностью обладают дифференциальные методы (дифференциальный термический анализ, дифференциальная сканирующая калориметрия и синхронный термический анализ), которые основаны на сравнении температур между измеряемым материалом и эталонным материалом – термически стабильным материалом без фазовых переходов и с температурой плавления много выше интервала температур, в котором проводятся исследования.
2. МЕТОДИКА ЭКСПЕРИМЕНТА
Схема дифференциального сканирующего калориметра представлена рис. 1.
Рис. 1. Дифференциальный сканирующий калориметр
F – печь (нагреватель); S – тигель с исследуемым образцом; R – пустой тигель или тигель с эталонным образцом; TF, TmS и TmR – температуры печи, тигля с исследуемым образцом и пустого тигля/ тигля с эталонным образцом соответственно; ФFS и ФFR – тепловые потоки
С помощью нагревателя с определенной скоростью нагреваются два тигля: один тигель с исследуемым образцом, а другой – пустой или с эталонным образцом (тигель сравнения). Разность температур между тиглем с исследуемым образцом и пустым тиглем/тиглем с эталонным образцом ∆T = TmS – TmR возникает вследствие их разных теплоемкостей. Из этой разницы температур определяют разность тепловых потоков через тигель с исследуемым образцом и тигель сравнения, которую регистрируют в зависимости от температуры тигля сравнения. В отличие от метода дифференциального термического анализа, где термопара находится непосредственно в контакте с дном тигля, и температура измеряется в одной точке, в методе дифференциальной сканирующей калориметрии между тиглем и термопарой находится теплопроводящая колонка, которая позволяет измерять усредненную температуру со всей площади тигля.