I materiali, se sottoposti ad una variazione di temperatura, possono mostrare cambiamenti nella loro struttura chimica e fisica, come transizioni di fase o processi di degradazione. Queste modifiche interne nel materiale possono essere accompagnate da un assorbimento o un rilascio di calore.
La calorimetria differenziale a scansione (DSC) è una tecnica sperimentale che consente di monitorare il flusso di calore fra il campione e un riferimento che sono soggetti ad un programma di temperatura controllata (riscaldamento, raffreddamento o isoterma), sotto identiche condizioni e nello stesso forno. Ogni differenza di temperatura tra il campione e il riferimento conduce ad un flusso di calore che è proporzionale alla differenza nelle loro capacità termiche.
Questa tecnica risulta molto utile per la determinazione di transizioni di fase, come la fusione, la cristallizzazione o le reazioni chimiche, quindi anche informazioni come la percentuale di struttura amorfa e cristallina di un materiale, e il suo grado di polimerizzazione o reticolazione.
Lo strumento è composto da una fornace che può ospitare il campione e il riferimento, consentendo il riscaldamento ad alte temperature (fino a 600 °C). È inoltre dotato di un sistema di controllo per la gestione dei programmi di temperatura, di un sensore per la misura del flusso di calore e di un sistema di ventilazione, che mantiene controllata l’atmosfera all’interno della fornace (vedi Fig. 1).
Tassi di scansione tipici vanno da 1 a 20 °C/min e la massa del campione è spesso nell’ordine di 5–20 mg.
L’atmosfera può essere inerte (N₂) o ossidante (aria) per discriminare processi fisici da reazioni termo-ossidative. La calibrazione con standard (es. indio, stagno) e la correzione di baseline sono essenziali per misure accurate.
Esempio grafico DSC
Il grafico mostra l’andamento del PEEK, un materiale termoplastico, sottoposto a riscaldamento.
Osservando la curva blu continua, è possibile individuare due picchi relativi ad un assorbimento di calore, anche detti endotermici. Dalla posizione del primo picco è possibile ricavare la temperatura di transizione vetrosa Tg, che corrisponde a 152 °C. Dal secondo picco possiamo determinare la temperatura di fusione Tc, che corrisponde a 343,7 °C e, dalla misura dell’area sottostante, possiamo calcolare la percentuale di cristallinità del materiale, pari al 29,25%.