Isotermisen mikrokalorimetrin käyttö kondensaatiokovetteisen silikonin ristisilloittumiskinetiikan tutkimuksessa - Viitala, Mikael (My University, 2019)
Termoanalyyttisiä tutkimusmenetelmiä käytetään laajalti materiaalitutkimuksessa. Termoanalyysin avulla voidaan mitata tarkasti kemiallisia ja fysikaalisia reaktioita ja sillä voidaan määrittää reaktioiden suuruutta tai seurata muodonmuutoksia. Nykyaikaisella tekniikalla saadaan hyödynnettyä termodynamiikan laaja teoria, koska mittalaitteista osataan valmistaa tarkkoja. Termodynaamisiin ilmiöihin vaikuttaa ympäristö ja mittajärjestely voimakkaasti, miksi niiden mittaus monesti voi olla haastava tehdä toistettavasti. Yksi mittatapa on isoterminen mikrokalorimetria (IMC). Siinä mitataan lämpövuota isotermisessä ympäristössä. Etuliite mikro tulee siitä, että laite mittaa mikrowatteja ajan funktiona. Isoterminen tarkoittaa termodynamiikassa ympäristöä, jossa lämpötila pidetään vakiona koko prosessin ajan. IMC on vähän käytetty molekyylien kinetiikan tutkimiseen, vaan sitä on käytetty muihin tutkimuskohteisiin. Tässä työssä tarkastellaan IMC:n soveltuvuutta kondensaatiokovetteisen silikonin ristisilloittumisen tutkimuksessa. Ristisilloittuminen kondensaatiokovetteisesti tarkoittaa kosteuden vaikutuksesta aiheutuvaa ristisilloittumisreaktiota. Tällöin tutkittavasta silikonista poistuu etikkahappoa ja jättää jälkeensä Si-O-Si sillan. Työssä tutkittiin tämän reaktion määrää massahäviön ja IMC:n avulla. Massahäviöksi on ilmoitettu valmistajan aikaisempien tutkimusten mukaan 4 % ja tässä tutkimuksessa häviöksi saatiin 3,4 %. IMC:n kanssa tehtiin testejä seitsemällä eri kosteusprosentilla ja selvitettiin kosteuden relaatiota havaittuun energiamäärään. Tutkittavan materiaalin huomattiin käyttäytyvän porrasmaisesti kosteuden funktiona, vaikka voisi olettaa sen olevan lineaarinen. Tämä voi johtua siitä, että veden diffuusio tietyillä kosteusrajoilla ei pääse tunkeutumaan näytteeseen tarpeeksi tehokkaasti ja pinnalla reagointipinta-ala on jo käytössä. Reaktion nopeutta tarkasteltiin konversiokäyrällä, mistä huomattiin reaktion nopeuden olevan kaikilla kosteuksilla melko sama. Ajetulla kosteudella ei havaittu suurta muutosta reaktion nopeuteen, vaan muutosta havaittiin vain saadun signaalin määrässä. Yleisesti IMC soveltui kinetiikan tutkimiseen tämän työn laajuudessa. Kokeet ovat pitkiä ja koska IMC mittaa mikrowattiluokan reaktioita on näytteen valmistuksella suuri rooli kokeen tuloksissa. Jos IMC:tä käytettäisiin täysin toistettavasti useammassa mittapisteessä, saataisiin tutkittavan näytteen käyttäytymisestä hyvä kuva.
Keywords: IMC, ristisilloittuminen, kalorimetria, kinetiikka, termodynamiikka