Стандартные образцы температуры фазовых переходов органических веществ на основе ацетата натрия безводного и метансульфоната натрия

С научно-технологическим прогрессом в области метрологического надзора, химической и фармацевтической промышленности возрастают требования к приборам термического анализа с точки зрения увеличения диапазонов измерений и повышения их точности. Для метрологического обеспечения применяемых приборов термического анализа и прослеживаемости к основным единицам физических величин приобретает особую актуальность изучение определения температуры плавления органических веществ.

Цель исследования состояла в апробации возможности использования органических веществ на основе ацетата натрия и метансульфоната натрия в качестве стандартов температуры фазовых переходов для материалов-кандидатов в стандартные образцы температуры фазовых переходов (СО), прослеживаемых к единице SI величины «температура».

Процедуру измерений температуры фазовых переходов (температуры плавления) проводили методом дифференциальной сканирующей калориметрии с применением термоанализатора STA 449 F5 JUPITER из состава Государственного первичного эталона ГЭТ 173–2017. Определение аттестованного значения СО проводили в соответствии с ГОСТ  ISO Guide 35–2015, были оценены вклады в неопределенность от неоднородности исходных материалов, исследована кратковременная и долговременная стабильность материалов.

Полученные метрологические характеристики исследуемой партии СО: интервал допускаемых аттестуемых характеристик температуры плавления фазового перехода у ацетата натрия безводного (328,35–330,35) °C, у метансульфоната натрия (352,05–354,05) °C. Сопоставление аттестованных значений температуры плавления разработанных СО со справочными значениями температуры плавления, представленными в IUPAC, показали, что аттестованные характеристики СО согласуются в пределах ±1,4 °C.

Теоретическая значимость полученных результатов заключается в доказательстве возможности применения метода дифференциальной сканирующей калориметрии для разработки стандартных образцов утвержденного типа температуры фазовых переходов (набор СО ТПКР) ГСО 11928–2022/ГСО 11929–2022.

Практическая значимость полученных результатов заключается в возможности установления и контроля калибровочной зависимости средств измерений термического анализа; аттестации методик (методов) измерений и контроля точности результатов измерений температуры фазовых переходов металлов, солей металлов, оксидов металлов, полимерных материалов, органических и неорганических веществ.

1. Feist M. Thermal analysis: basics, applications, and benefit // ChemTexts. 2015. № 1. P. 8. https://doi.org/10.1007/s40828–015–0008-y

2. Mehczel J. D., Prime R. B. Thermal Analysis of Polymers: Fundamentals and Applications. New Jersey: John Wiley & Sons, 2009. 688 p.

3. Применение метода дифференциальной сканирующей калориметрии для изучения устойчивости композиционных материалов на основе сверхвысокомолекулярного полиэтилена к облучению электронным пучком / Т. Ю. Киселева [и др.] // Журнал физической химии. 2021. Т. 95, № 5. С. 678–685. https://doi.org/10.31857/S0044453721050174

4. Жорин В. А., Киселев М. Р. Плавление и кристаллизация полиэтилена высокой плотности в смесях с органическими кислотами и кислотно-основными индикаторами после пластического деформирования под высоким давлением // Журнал физической химии. 2021. Т. 95, № 7. С. 987–993. https://doi.org/10.31857/S0044453721070311

5. Greengrass M. A. Thermal study on crystallisation & phase transitions of PA6 by DSC: technical report. 2021. 31 p. URL: https:// www.researchgate.net/publication/335082996 (дата обращения 17.09.2022).

6. Гавричев К. С. Прецизионная калориметрия в ИОНХ РАН (Краткий обзор) // Журнал неорганической химии. 2020. Т. 65, № 5. С. 609–612. https://doi.org/10.31857/S0044457X20050098

7. Непомилуев А. М., Казанцев В. В., Шипицын А. П. Перспективы разработки стандартных образцов термодинамических свойств для метрологического обеспечения измерений в области термического анализа и калориметрии в Российской Федерации // Стандартные образцы. 2019. T. 15, № 3. С. 15–22. https://doi.org/10.20915/2077-1177-2019-15-3-15-22

8. Kahwaji S., White M. A. Organic phase change materials for thermal energy storage: influence of molecular structure on properties // Molecules. 2021. Vol. 26, № 21. P. 6635. https://doi.org/10.3390/molecules26216635

9. Hafsaoui S. L., Mahmoud R. Solid-liquid equilibria of binary systems containing n-tetracosane with naphthalene or dibenzofuran // Journal of Thermal Analysis and Calorimetry. 2007. Vol. 88. P. 565–570. https://doi.org/10.1007/s10973-006-8084-2

10. Phase diagram of palmitic acid-tetradecanol mixtures obtained by DSC experiments / J. L. Zeng [et al.] // Journal of Thermal Analysis and Calorimetry. 2009. Vol. 95, P. 501–505. https://doi.org/10.1007/s10973–008–9274-x

11. Experimental devices to investigate the long-term stability of phase change materials under application conditions / C. Rathgeber [et al.] // Applied Sciences. 2020. Vol. 10, № 22. P. 7968. https://doi.org/10.3390/app10227968

12. New aspects of relationship between the enthalpies of fusion of aromatic compounds at the melting temperatures and the enthalpies of solution in benzene at 298.15 K. Part I / M. I. Yagofarov [et al.] // The Journal of Chemical Thermodynamics. 2018. Vol. 116. P. 1 52–158. https://doi.org/10.1016/J.JCT.2017.09.006

13. Ly Huong Bui, Arno de Klerk. Thermal behavior of potassium C1–C12n-alkanoates and its relevance to fischer–tropsch // Journal of Chemical & Engineering Data. 2014. Vol. 59, № 2. P. 400–411. https://doi.org/10.1021/je400874d

14. Термоаналитическое исследование фазовых превращений метансульфонатов магния и кальция / Д. А. Косова [и др.] // Журнал неорганической химии. 2020. Т. 65, № 5. С. 679–685. https://doi.org/10.31857/S0044457X20050128

15. Measurement of enthalpy curves of phase change materials via DSC and T-history: When are both methods needed to estimate the behaviour of the bulk material in applications? / C. Rathgeber [et al.] // Thermochimica Acta. 2014. Vol. 596. P. 79–88. https://doi.org/10.1016/j.tca.2014.09.022

16. Pauvonic I., Mehrota A. K. Liquid–solid phase transformation of C16H34, C28H58 and C41H84 and their binary and ternary mixtures // Thermochimica Acta. 2000. Vol. 356. P. 27–38. https://doi.org/10.1016/S0040–6031(00)00503-7

17. Study on differential scanning calorimetry analysis with two operation modes and organic and inorganic phase change material (PCM) / C. Barreneche [et al.] // Thermochimica Acta. 2013. Vol. 553. P. 23–26. https://doi.org/10.1016/j.tca.2012.11.027

18. Learning to Fly: thermochemistry of energetic materials by modified thermogravimetric analysis and highly accurate quantum chemical calculations / N. V. Muravyev [et al.] // Physical Chemistry Chemical Physics. 2021. Vol. 23, № 29. P. 15522–15542. http://doi.org/10.1039/D1CP02201F

19. Molten alkali metal alkanoates / P. Franzosini [et al.] (eds.). Pergamon Press: IUPAC, 1988. Vol. 33.

20. Franzosini P., Sanesi M. Thermodynamic and transport properties of organic salts : IUPAC chemical data series. Elsevier Ltd., 1980. 289 p. https://doi.org/10.1016/C2013-0-02976-3

21. Haynes W. M. CRC handbook of chemistry and physics. 95th Ed. 2014. 2704 p. https://doi.org/10.1201/b17118