Термогравиметрический анализ - Thermogravimetric analysis
| Акроним | TGA |
|---|---|
| Классификация |
Термический анализ
|
| Другие техники | |
| Связанный |
Изотермическая микрокалориметрия Дифференциальная сканирующая калориметрия Динамический механический анализ Термомеханический анализ Дифференциальный термический анализ Диэлектрический термический анализ |
Термогравиметрический анализ или термогравиметрический анализ ( ТГА ) - это метод термического анализа, при котором масса образца измеряется с течением времени при изменении температуры . Это измерение предоставляет информацию о физических явлениях, таких как фазовые переходы , абсорбция , адсорбция и десорбция ; а также химические явления, включая хемосорбцию , термическое разложение и реакции твердого тела с газом (например, окисление или восстановление ).
Термогравиметрический анализатор
Термогравиметрический анализ (ТГА) проводится на приборе, называемом термогравиметрическим анализатором. Термогравиметрический анализатор непрерывно измеряет массу, в то время как температура образца изменяется с течением времени. Масса, температура и время считаются базовыми измерениями в термогравиметрическом анализе, в то время как многие дополнительные измерения могут быть получены из этих трех базовых измерений.
Типичный термогравиметрический анализатор состоит из прецизионных весов с чашей для образца, расположенной внутри печи с программируемой контрольной температурой. Температура обычно повышается с постоянной скоростью (или для некоторых применений температуру регулируют для постоянной потери массы), чтобы вызвать тепловую реакцию. Термическая реакция может происходить в различных средах, включая: окружающий воздух , вакуум , инертный газ, окисляющие / восстановительные газы, коррозионные газы, науглероживающие газы, пары жидкостей или «самогенерируемую атмосферу»; а также различные давления, включая: высокий вакуум, высокое давление, постоянное давление или контролируемое давление.
Термогравиметрические данные, собранные в результате термической реакции, компилируются в график зависимости массы или процента от начальной массы по оси y от температуры или времени по оси x. Этот график, который часто сглаживают , называют кривой ТГА . Первая производная кривой TGA (кривая DTG) может быть нанесена на график для определения точек перегиба, полезных для углубленной интерпретации, а также для дифференциального термического анализа .
ТГА можно использовать для определения характеристик материалов путем анализа характерных закономерностей разложения. Это особенно полезный метод для изучения полимерных материалов, включая термопласты , реактопласты , эластомеры , композиты , пластиковые пленки , волокна , покрытия , краски и топливо .
Виды ТГА
Существует три типа термогравиметрии:
- Изотермическая или статическая термогравиметрия: в этом методе вес образца регистрируется как функция времени при постоянной температуре.
- Квазистатическая термогравиметрия: в этом методе температура образца повышается последовательными шагами, разделенными изотермическими интервалами, в течение которых масса образца достигает стабильности перед началом следующего линейного изменения температуры.
- Динамическая термогравиметрия: в этом методе образец нагревается в среде, температура которой изменяется линейно.
Приложения
Термостойкость
ТГА можно использовать для оценки термостойкости материала. В желаемом температурном диапазоне, если разновидность термически стабильна, изменения массы не будет. Незначительная потеря массы соответствует небольшому наклону кривой ТГА или отсутствию его. ТГА также дает верхнюю рабочую температуру материала. Выше этой температуры материал начнет разлагаться.
ТГА используется при анализе полимеров. Полимеры обычно плавятся перед разложением, поэтому ТГА в основном используется для исследования термостабильности полимеров. Большинство полимеров плавятся или разлагаются до 200 ° C. Однако существует класс термостойких полимеров, способных выдерживать температуры не менее 300 ° C на воздухе и 500 ° C в инертных газах без структурных изменений или потери прочности, что может быть проанализировано с помощью ТГА.
Окисление и горение
Самая простая характеристика материалов - это остаток, оставшийся после реакции. Например, реакцию горения можно проверить, загрузив образец в термогравиметрический анализатор при нормальных условиях . Термогравиметрический анализатор вызывает горение ионов в образце, нагревая его выше температуры воспламенения . Результирующая кривая ТГА, построенная с осью у в процентах от начальной массы, будет показывать остаток в конечной точке кривой.
Окислительные потери массы являются наиболее частыми наблюдаемыми потерями при ТГА.
Изучение стойкости к окислению медных сплавов очень важно. Например, НАСА (Национальное управление по аэронавтике и исследованию космического пространства) проводит исследования передовых медных сплавов для их возможного использования в двигателях внутреннего сгорания . Однако в этих сплавах может происходить окислительная деструкция, поскольку оксиды меди образуются в атмосфере, богатой кислородом. Устойчивость к окислению очень важна, потому что НАСА хочет иметь возможность повторно использовать материалы шаттла. ТГА можно использовать для изучения статического окисления материалов, подобных этим, для практического использования.
Горение во время анализа ТГ можно идентифицировать по отчетливым следам на полученных термограммах ТГА. Один интересный пример имеет место с образцами неочищенных углеродных нанотрубок непосредственно после производства , в которых присутствует большое количество металлического катализатора . Из-за горения кривая ТГА может отклоняться от нормальной формы корректной функции. Это явление возникает из-за быстрого изменения температуры. Когда вес и температура наносятся на график в зависимости от времени, резкое изменение наклона графика первой производной происходит одновременно с потерей массы образца и внезапным повышением температуры, наблюдаемым термопарой. Потеря массы может быть результатом выделения частиц дыма в результате горения, вызванного несоответствиями в самом материале, помимо окисления углерода из-за плохо контролируемой потери веса.
Различные потери веса одного и того же образца в разных точках также могут использоваться для диагностики анизотропии образца. Например, отбор проб с верхней и нижней стороны образца с диспергированными частицами внутри может быть полезным для обнаружения седиментации, поскольку термограммы не будут перекрываться, но покажут зазор между ними, если распределение частиц будет разным от стороны к стороне.
Термогравиметрическая кинетика
Термогравиметрическая кинетика может быть исследована для понимания механизмов реакции термического (каталитического или некаталитического) разложения, участвующего в процессах пиролиза и горения различных материалов.
Энергии активации процесса разложения можно рассчитать по методу Киссинджера.
Хотя постоянная скорость нагрева более распространена, постоянная скорость потери массы может пролить свет на конкретную кинетику реакции. Например, кинетические параметры карбонизации поливинилбутираля были найдены с использованием постоянной скорости потери массы 0,2 мас.% / Мин.
Работа в сочетании с другими инструментами
Термогравиметрический анализ часто сочетается с другими процессами или используется вместе с другими аналитическими методами.
Например, прибор TGA непрерывно взвешивает образец при его нагревании до температуры до 2000 ° C для связи с инфракрасной спектроскопией с преобразованием Фурье (FTIR) и масс-спектрометрическим газовым анализом. При повышении температуры различные компоненты образца разлагаются, и можно измерить весовой процент каждого результирующего изменения массы.
| Sr.No. | Термогравиметрический анализ (ТГА) | Дифференциальный термический анализ (ДТА) |
|---|---|---|
| 1 | В TGA потеря или увеличение веса измеряется как функция температуры или времени. | В DTA разница температур между образцом и эталоном измеряется как функция температуры. |
| 2 | Кривая ТГА представляет собой ступеньки, состоящие из горизонтальных и изогнутых участков. | Кривая ДТА показывает восходящие и нисходящие пики. |
| 3 | Прибор, используемый в ТГА, - это термовесы. | Инструмент, используемый в DTA, - это устройство DTA. |
| 4 | ТГА дает информацию только для веществ, масса которых изменяется при нагревании или охлаждении. | DTA не требует изменения массы образца для получения значимой информации.
ДТА можно использовать для изучения любого процесса поглощения или выделения тепла. |
| 5 | Верхняя температура, используемая для ТГА, обычно составляет 1000 ° C. | Верхняя температура, используемая для ДТА, часто выше, чем ТГА (до 1600 ° C). |
| 6 | Количественный анализ проводится по тепловой кривой путем измерения потери массы m. | Количественный анализ проводится путем измерения площадей и высоты пиков. |
| 7 | Данные, полученные с помощью ТГА, полезны для определения чистоты и состава материалов, температуры сушки и воспламенения материалов, а также для определения температур стабильности соединений. | Данные, полученные в ДТА, используются для определения температур переходов, реакций и точек плавления веществ. |
