Využitie diferenciálnej skenovacej kalorimetrie pri analýze opotrebovaných dopravníkových pásov

Ak je sledovanou fyzikálnou vlastnosťou rozdiel tepelných tokov do vzorky a referenčnej látky, hovoríme o diferenčnej kompenzačnej kalorimetrii. Pre túto metódu je zaužívaná skratka DSC pochádzajúca z anglického názvu „Differential Scanning Calorimetry“. Podľa konštrukcie delíme DSC kalorimetre na dva typy, a to kalorimetre s kompenzáciou výkonu a kalorimetre s tepelným tokom. [1] Oblasť použitia DSC kalorimetrov je väčšinou udávaná pre teploty v rozmedzí od -180 °C do +500 °C. Horný teplotný limit je determinovaný tým, že straty tepla žiarením sú úmerné štvrtej mocnine absolútnej teploty a v dôsledku tepelných strát žiarením nad horným limitom by meraný signál zanikol v šume. Metóda DSC je vhodná na meranie charakteristických teplôt fázových prechodov I. aj II. druhu, ako aj na kvantitatívne stanovenie entalpických charakteristík spojených s fyzikálnymi aj chemickými premenami látok v kondenzovaných sústavách. Ďalej ju možno využiť na meranie tepelnej kapacity, stanovenie čistoty látok, popis reakčnej kinetiky a na iné špeciálne účely. [2] Pri tejto metóde sa vzorka podrobuje lineárnemu ohrevu a rýchlosti tepelného toku vo vzorke, ktorý je úmerný okamžitému mernému teplu. Vnútri merného plášťa, ktorý je normálne udržiavaný na izbovej teplote (cca 20 °C), sú umiestnené dve symetrické nádobky. Odporový teplomer a teplotný člen zabudovaný v nosiči vzorky slúži ako primárna teplotná kontrola systému. Sekundárny teplotný kontrolný systém meria teplotnú diferenciu medzi oboma nosičmi a tento rozdiel upravuje na nulovú kontrolu tepelného prúdu, ktorý je meraný. Inak sa dá povedať, že teplota vzorky je udržiavaná izotermicky so vzorkou porovnávacou (alebo blokom) dodávaním tepla do porovnávacej vzorky. Toto množstvo, potrebné na udržanie izotermických podmienok, je zapisované (zakresľované) v závislosti od času alebo teploty. [2, 5, 6] Používajú sa malé vzorky (miligramové množstvá), ktoré sú umiestnené na kovových fóliách, to znižuje tepelný spád na minimum. Nízka tepelná kapacita celého systému dovoľuje použiť veľké rýchlosti ohrevu (desiatky K/ min, °C/min) a zabezpečuje veľkú rozlišovaciu schopnosť. Množstvo uvoľneného tepla je preto úmerné množstvu elektrickej energie spotrebovanej na zohriatie vzorky. [3, 5]

VSTUPNÝ MATERIÁL A PRIEBEH MERANIA
Pri meraní boli použité nasledujúce materiály a prístroje:
• Prístroj DSC 204 zn. NETZSCH (Germany)
• Program NETZSCH Proteus
• Nádoba na vzorku z Al (priemer cca 5 mm)
• Vzorka opotrebovaných dopravníkových pásov.
V nasledujúcej tabuľke (tab. 1) sú uvedené parametre merania. Hmotnosť skúšobnej vzorky je 8,6 mg. Teplota je v rozmedzí od -50 °C až 300 °C. Priebeh merania začína najprv ochladzovaním vzorky na -180 °C a následným zohrievaním. Keď sa pri zohrievaní dosiahne teplota -50 °C, spustí sa meranie. Následne je vzorka podrobovaná ohrevu až po hodnotu +300 °C.

Po uplynutí stanoveného času merania sa analýza ukončila. V programe NETZSCH Proteus sa potom vyhodnotili údaje, ktoré sa získali počas merania. Červenou farbou je zobrazená krivka 1. zohrievania pri analyzovaní textílií. Teplota sklovitého prechodu Tg pri 1. ohreve (obr. 1) má hodnotu 73,3 °C. Teplota topenia pri prvom vrchole „peak 1“ je 218,1 °C pri druhom vrchole „peak 2“ je to 255,5 °C. [5]

Na obrázku č. 2 je čiernou farbou znázornený 2. ohrev textilnej zložky. Hodnoty z grafu sú nasledujúce: Pri 1. vrchole hodnota zodpovedá teplote 215 °C, pri druhom vrchole má hodnotu 252,8 °C.

Obrázok č. 3 popisuje gumovú zložku, ktorá tvorí podstatnú časť dopravníkových pásov. Hodnota Tg je 89,6 °C.

Z grafu (obr. 4) je vidieť, že teploty skleného prechodu sú pre textil 73,3 °C, pre gumovú zložku 89,6 °C. Teploty topenia sú pri textilnej zložke v rozmedzí od 218,1 °C do 255,5 °C. Rozdiel medzi prvým a druhým ohrevom neukazuje výrazné rozdiely v teplotách pre jednotlivé zložky. To dokazuje, že naše meranie sa uskutočnilo v poriadku. [1, 3, 5] Z grafu je vidieť, že pri vzorke PA máme dve krivky, teda 1. a 2. zohrievanie (červená krivka = 1. ohrev, čierna krivka = 2. ohrev). Prvé a druhé zahrievanie sa vykonáva kvôli odchýlkam, ktoré vznikli medzi skúšobnou vzorkou a prístrojom. V prvom prípade, je na grafe vidieť hodnotu 73,33 °C, To znamená, že vo vzorke bola prítomná voda alebo etanol, je však možné, že sú to zvyšky rozpúšťadla. Hodnoty 218,1 °C a 255,5 °C znamenajú hodnoty topenia vzorky Tm. Dva vrcholy sú výsledkom toho, že materiál je tvorený dvoma látkami, a to PA 6, PA 6.6 a v minimálnej miere vlákna z polyetylentereftalátu PET. Pri druhom ohreve už máme stabilnejší graf s hodnotami 215,0 °C a 252,8 °C. [2, 4, 5]

Rozdiel medzi prvým a druhým zohrievaním znamená, že v prvom prípade vznikli anomálie medzi vzorkou a snímačom, napr. nerovnomerné „sadnutie“ vzorky do skúšobnej hliníkovej nádoby, v druhom prípade dostávame definitívnu kryštalinitu vzorky a analýzu materiálu ako takého. [1, 4, 6] je zabezpečená aj lepšia priľnavosť vzorky a nádoby. Hodnota 89,6 °C pri gumovej zložke znamená topenie alebo vyparovanie vzorky; z grafu je vidieť, že ide o gumový materiál vysokej pevnosti. Z ďalšej analýzy sme zistili, že zloženie textilného kordu je tvorené kryštalickou celulózou. [3, 4]

ZÁVEREČNÉ ZHODNOTENIE MERANIA
Cieľom príspevku bolo priblížiť použitie diferenciálnej skenovacej kalorimetrie pri analýze jednotlivých zložiek z opotrebovaných pneumatík. Z priebehu analýzy sme dospeli k nasledujúcim záverom. Teplota skleného prechodu pre gumovú zložku, ktorá tvorí súčasť textílií, má hodnotu 89,6 °C. Z analýzy vyplynulo, že textil je tvorený minimálne dvoma rozdielnymi typmi polyamidov. Prostredníctvom literatúry „Praxis der Thermischen Analyse von Kunststoffen“ bolo stanovené, že hodnote 216 °C zodpovedá polyamid PA 6 (vychádza to z porovnania Tm – teplôt topenia). Pre hodnotu 252 °C je to polyamid PA 6.6.

Príspevok lektoroval: Ing. Petr Trávníček, Ph.D., Mendelova univerzita v Brne

POUŽITÁ LITERATÚRA
[1] Haines, P. J.: Thermal Methods of Analysis – Principles, Applications and Problems, Blackie Academic & Professional, London, 1995.
[2] Šimon, P.; Smrčková, E.; Svetík, Š.; Chochulová, A.: 5. Letná škola termickej analýzy a kalorimetrie – učebné texty. STU, Bratislava, 2007.
[3] Vaníček, J.: Metody termické analýzy, TF TÚ, Liberec [online], [cit. 01. 03. 2010], dostupné na www
[4] Ehrenstein, G. W.; Riedel G., Travlel, P.: Praxis der Thermischen Analyse von Kunststoffen, Hanser Verlag, s. 355 – 358,München , ISBN 3-446-22340-1,2003
[5] Knapcikova, L. et al.: Material characterization of composite materials from used, In: Výrobné inžinierstvo. č. 4 (2010), s. 31 – 34. – ISSN 1335-7972, 2010
[6] Lachman, J.; Rutkowski, K.; Trávníček, P.; Vítěz, T.; Burg, P.; Turan, J.; Junga, P.; Višacki, V.: Determination of rheological behaviour of wine lees. International Agrophysics. 2015. zv. 29, č. 3, s. 307 – 311. ISSN 0236-8722. URL: http://www.international-agrophysics.org/en/artykul/809

TEXT/FOTO ING. LUCIA KNAPČÍKOVÁ, PHD., ING. MIROSLAV MINĎAŠ, DOC. ING. MICHAL BALOG, CSC., FAKULTA VÝROBNÝCH TECHNOLÓGIÍ, PREŠOV TECHNICKÁ UNIVERZITA KOŠICE