Termogravimetrik analiz - Thermogravimetric analysis

Termogravimetrik analiz
KısaltmaTGA
SınıflandırmaIsı analizi

Thermogravimetric analyser.jpg

Tipik bir TGA sistemi
Diğer teknikler
İlişkiliİzotermal mikrokalorimetri
Diferansiyel tarama kalorimetrisi
Dinamik mekanik analiz
Termomekanik analiz
Diferansiyel termal analiz
Dielektrik termal analiz

Termogravimetrik analiz veya termal gravimetrik analiz (TGA) bir yöntemdir ısı analizi içinde kitle bir numunenin ölçülen bitmiş zaman olarak sıcaklık değişiklikler. Bu ölçüm, aşağıdaki gibi fiziksel olaylar hakkında bilgi sağlar: faz geçişleri, absorpsiyon, adsorpsiyon ve desorpsiyon; yanı sıra dahil kimyasal olaylar kimyasal sorgular, termal ayrışma ve katı gaz reaksiyonları (ör. oksidasyon veya indirgeme ).[1]

Termogravimetrik analizör

Termogravimetrik analiz (TGA), termogravimetrik analizör olarak adlandırılan bir cihazda gerçekleştirilir. Bir termogravimetrik analizör, bir numunenin sıcaklığı zamanla değiştirilirken sürekli olarak kütleyi ölçer. Kütle, sıcaklık ve zaman termogravimetrik analizde temel ölçümler olarak kabul edilirken, bu üç temel ölçümden birçok ek ölçüm elde edilebilir.

Tipik bir termogravimetrik analizör, programlanabilir bir kontrol sıcaklığına sahip bir fırının içine yerleştirilmiş bir numune tavası ile hassas bir teraziden oluşur. Sıcaklık genellikle sabit bir oranda arttırılır (veya bazı uygulamalarda sıcaklık sabit bir kütle kaybı için kontrol edilir), bir termal reaksiyona neden olur. Termal reaksiyon, aşağıdakiler dahil çeşitli atmosferlerde meydana gelebilir: Ortam havası, vakum, inert gaz, oksitleyici / indirgeyici gazlar, aşındırıcı gazlar, karbonlama gazları, sıvı buharları veya "kendi oluşturduğu atmosfer"; yanı sıra çeşitli baskılar şunları içerir: yüksek vakum, yüksek basınç, sabit basınç veya kontrollü basınç.

Bir termal reaksiyondan toplanan termogravimetrik veriler, x eksenindeki sıcaklığa veya zamana karşı y eksenindeki kütle veya başlangıç ​​kütle yüzdesi grafiğinde derlenir. Bu arsa, genellikle pürüzsüz, TGA olarak anılır eğri. İlk türev TGA eğrisinin (DTG eğrisi) belirlenmesi için çizilebilir Eğilme noktaları derinlemesine yorumlar için yararlı olduğu kadar diferansiyel termal analiz.

Bir TGA, karakteristik ayrışma modellerinin analizi yoluyla malzeme karakterizasyonu için kullanılabilir. Çalışmak için özellikle yararlı bir tekniktir. polimerik dahil malzemeler termoplastikler, termosetler, elastomerler, kompozitler, plastik filmler, lifler, kaplamalar, boyalar, ve yakıtlar.

TGA Türleri

Üç tür termogravimetri vardır:

  • İzotermal veya statik termogravimetri: Bu teknikte, numune ağırlığı sabit sıcaklıkta zamanın bir fonksiyonu olarak kaydedilir.
  • Kuasistatik termogravimetri: Bu teknikte, numune sıcaklığı, izotermal aralıklarla ayrılan ardışık adımlarla yükseltilir; bu sırada numune kütlesi, bir sonraki sıcaklık rampasının başlangıcından önce stabiliteye ulaşır.
  • Dinamik termogravimetri: Bu teknikte numune, sıcaklığı doğrusal bir şekilde değişen bir ortamda ısıtılır.

Başvurular

Termal kararlılık

TGA, termal kararlılık bir malzemenin. İstenilen bir sıcaklık aralığında, eğer bir tür termal olarak kararlıysa, gözlenen hiçbir kütle değişikliği olmayacaktır. İhmal edilebilir kütle kaybı, TGA izinde çok az eğime veya sıfır eğime karşılık gelir. TGA ayrıca bir malzemenin üst kullanım sıcaklığını verir. Bu sıcaklığın ötesinde malzeme bozulmaya başlayacaktır.

TGA, polimerlerin analizinde kullanılır. Polimerler genellikle ayrışmadan önce erirler, bu nedenle TGA esas olarak polimerlerin termal stabilitesini araştırmak için kullanılır. Polimerlerin çoğu 200 ° C'den önce erir veya bozulur. Bununla birlikte, yapısal değişiklikler veya mukavemet kaybı olmaksızın havada en az 300 ° C ve inert gazlarda 500 ° C sıcaklıklara dayanabilen ve TGA ile analiz edilebilen termal olarak kararlı bir polimer sınıfı vardır.[2][3] [4]

Oksidasyon ve yanma

En basit malzeme karakterizasyonu, bir reaksiyondan sonra kalan kalıntıdır. Örneğin, bir yanma reaksiyonu, bir numune bir termogravimetrik analizöre yükleyerek test edilebilir. normal koşullar. Termogravimetrik analizör numuneyi, numunenin ötesine ısıtarak iyon yanmasına neden olur. tutuşma sıcaklığı. Başlangıç ​​kütlesinin yüzdesi olarak y ekseni ile çizilen sonuçta ortaya çıkan TGA eğrisi, eğrinin son noktasındaki kalıntıyı gösterecektir.

Oksidatif kütle kayıpları, TGA'da en yaygın gözlemlenebilir kayıplardır.[5]

Bakır alaşımlarında oksidasyona karşı direnci incelemek çok önemlidir. Örneğin, NASA (Ulusal Havacılık ve Uzay Dairesi), gelişmiş bakır alaşımları üzerinde olası kullanımları için araştırma yapmaktadır. yanmalı motorlar. Ancak oksijen açısından zengin atmosferlerde bakır oksitler oluştuğundan bu alaşımlarda oksidatif bozunma meydana gelebilir. Oksidasyona direnç çok önemlidir çünkü NASA mekik malzemelerini yeniden kullanabilmek istiyor. TGA, pratik kullanım için bunlar gibi malzemelerin statik oksidasyonunu incelemek için kullanılabilir.

TG analizi sırasında yanma, üretilen TGA termogramlarında yapılan farklı izlerle tanımlanabilir. Üretildiği haliyle saflaştırılmamış örneklerle ilginç bir örnek ortaya çıkar karbon nanotüpler çok miktarda metal içeren katalizör mevcut. Yanma nedeniyle, bir TGA izi, iyi davranan bir işlevin normal biçiminden sapabilir. Bu fenomen, hızlı bir sıcaklık değişiminden kaynaklanır. Zamana karşı ağırlık ve sıcaklık grafiği çizildiğinde, birinci türev grafiğindeki dramatik bir eğim değişikliği, numunenin kütle kaybı ve termokupl tarafından görülen sıcaklıktaki ani artışla eşzamanlıdır. Kütle kaybı, zayıf bir şekilde kontrol edilen ağırlık kaybından kaynaklanan karbon oksidasyonunun ötesinde, malzemenin kendisindeki tutarsızlıklardan kaynaklanan yanmadan salınan duman parçacıklarının bir sonucu olabilir.

Aynı numune üzerinde farklı noktalarda farklı ağırlık kayıpları da numunenin anizotropisinin teşhisi olarak kullanılabilir. Örneğin, içinde dağılmış partiküller bulunan bir numunenin üst ve alt tarafını örneklemek, tortulaşmayı tespit etmek için yararlı olabilir, çünkü termogramlar üst üste binmez ancak partikül dağılımı yandan yana farklıysa aralarında bir boşluk gösterecektir.[6][7].

Termogravimetrik kinetik

Termogravimetrik kinetik, termal (katalitik veya katalitik olmayan) ayrışmanın reaksiyon mekanizmalarını anlamak için araştırılabilir. piroliz ve yanma farklı malzemelerin işlemleri.[8][9][10][11][12][13][14]

Ayrıştırma işleminin aktivasyon enerjileri Kissinger yöntemi kullanılarak hesaplanabilir.[15]

Sabit bir ısıtma hızı daha yaygın olsa da, sabit bir kütle kaybı oranı, spesifik reaksiyon kinetiğini aydınlatabilir. Örneğin, polivinil bütiralin karbonizasyonunun kinetik parametreleri, ağırlıkça% 0.2'lik bir sabit kütle kaybı oranı kullanılarak bulundu.[16]

Aletlerle birlikte çalıştırma

TGA cihazı, 2000 ° C'ye kadar sıcaklıklara ısıtıldığı için numuneyi sürekli olarak tartar. FTIR ve kütle spektrometrisi gaz analizi. Sıcaklık arttıkça, numunenin çeşitli bileşenleri ayrıştırılır ve ortaya çıkan her kütle değişikliğinin ağırlık yüzdesi ölçülebilir.

Termogravimetrik analiz genellikle diğer süreçlerle birleştirilir veya diğer analitik yöntemlerle birlikte kullanılır. Örneğin, bazen bir TGA, bir kütle spektrometresi ile aynı hizada bağlanır.

Termal gravimetrik analiz türleri:

1) İzotermal veya Statik Termogravimetri: Bu teknikte, numune ağırlığı sabit sıcaklıkta zamanın fonksiyonu olarak kaydedilir.

2) Kuasistatik Termogravimetri: Bu teknikte numune, artan sıcaklıkların her birinde sabit bir ağırlığa ısıtılır.

3) Dinamik Termogravimetri: Bu teknikte numune, sıcaklığı doğrusal olarak değişen bir ortamda ısıtılır.

Termal gravimetrik analiz ve Diferansiyel termal analiz tekniklerinin karşılaştırılması:
Sr.No.Termal gravimetrik analiz (TGA)Diferansiyel termal analiz (DTA)
1TGA'da ağırlık kaybı veya kazancı, sıcaklık veya zamanın bir fonksiyonu olarak ölçülür.DTA'da bir numune ile referans arasındaki sıcaklık farkı, sıcaklığın bir fonksiyonu olarak ölçülür.
2TGA eğrisi, yatay ve eğimli kısımları içeren adımlar olarak görünür.DTA eğrisi yukarı ve aşağı doğru zirveleri gösterir.
3TGA'da kullanılan alet bir termobalanstır.DTA'da kullanılan alet bir DTA Aparatıdır.
4TGA, yalnızca ısıtma veya soğutmada kütle değişikliği gösteren maddeler için bilgi verir.DTA, anlamlı bilgiler elde etmek için numunenin kütlesinde bir değişiklik gerektirmez.

DTA, ısının emildiği veya serbest bırakıldığı herhangi bir işlemi incelemek için kullanılabilir.

5TGA için kullanılan üst sıcaklık normalde 1000 ° C'dir.DTA için kullanılan üst sıcaklık genellikle TGA'dan daha yüksektir (1600 ° C'ye kadar).
6Kütle kaybı ölçülerek termal eğriden kantitatif analiz yapılır. m.Kantitatif analiz, tepe alanları ve tepe yükseklikleri ölçülerek yapılır.
7TGA'da elde edilen veriler, malzemelerin saflığını ve bileşimini, malzemelerin kuruma ve tutuşma sıcaklıklarını belirlemede ve bileşiklerin kararlılık sıcaklıklarını bilmede yararlıdır.DTA'da elde edilen veriler, maddelerin geçiş, reaksiyon ve erime sıcaklıklarını belirlemek için kullanılır.

Referanslar

  1. ^ Coats, A. W .; Redfern, J.P. (1963). "Termogravimetrik Analiz: Bir Gözden Geçirme". Analist. 88 (1053): 906–924. Bibcode:1963 Ana ... 88..906C. doi:10.1039 / AN9638800906.
  2. ^ Liu, X .; Yu, W. (2006). "Yüksek Performanslı Elyafların Isıl Kararlılığının TGA ile Değerlendirilmesi". Uygulamalı Polimer Bilimi Dergisi. 99 (3): 937–944. doi:10.1002 / app.22305.
  3. ^ Marvel, C.S. (1972). "Termal Olarak Kararlı Polimerlerin Sentezi". Ft. Belvoir: Savunma Teknik Bilgi Merkezi.
  4. ^ Tao, Z .; Jin, J .; Yang, S .; Hu, D .; Li, G .; Jiang, J. (2009). "Yüksek Termal Kararlılık ve Düşük Dielektrik Sabit ile Florlu PBO'nun Sentezi ve Karakterizasyonu". Makromoleküler Bilim Dergisi, Bölüm B. 48 (6): 1114–1124. Bibcode:2009JMSB ... 48.1114Z. doi:10.1080/00222340903041244. S2CID  98016727.
  5. ^ Voitovich, V. B .; Lavrenko, V. A .; Voitovich, R. F .; Golovko, E. I. (1994). "Saflığın Zirkonyumun Yüksek Sıcaklık Oksidasyonu Üzerindeki Etkisi". Metallerin Oksidasyonu. 42 (3–4): 223–237. doi:10.1007 / BF01052024. S2CID  98272654.
  6. ^ Lopresti, Mattia; Alberto, Gabriele; Cantamessa, Simone; Cantino, Giorgio; Conterosito, Eleonora; Palin, Luca; Milanesio, Marco (28 Ocak 2020). "Sert X-ışını Koruması için Hafif, Kolay Şekillendirilebilir ve Toksik Olmayan Polimer Bazlı Kompozitler: Teorik ve Deneysel Bir Çalışma". Uluslararası Moleküler Bilimler Dergisi. 21 (3): 833. doi:10.3390 / ijms21030833.
  7. ^ Lopresti, Mattia; Palin, Luca; Alberto, Gabriele; Cantamessa, Simone; Milanesio, Marco (20 Kasım 2020). "Gelişmiş dağılabilirliğe sahip kaplanmış baryum sülfat ile ilave edilen X-ışını koruyucu malzemeler için epoksi reçineler kompozitler". Materials Today Communications: 101888. doi:10.1016 / j.mtcomm.2020.101888.
  8. ^ Reyes-Labarta, J.A .; Marcilla, A. (2012). "Çapraz Bağlı Etilen Vinil Asetat-Polietilen-Azodikarbonamid-ZnO Köpüklerin Isıl İşlemi ve Bozulması. Tam Kinetik Modelleme ve Analiz". Endüstri ve Mühendislik Kimyası Araştırmaları. 51 (28): 9515–9530. doi:10.1021 / ie3006935.
  9. ^ Reyes-Labarta, J.A .; Marcilla, A. (2008). "Ticari Azodikarbonamidin Termal Bozunmasına İlişkin Ayrışmaların Kinetik Çalışması" (PDF). Uygulamalı Polimer Bilimi Dergisi. 107 (1): 339–346. doi:10.1002 / app.26922. hdl:10045/24682.
  10. ^ Marcilla, A .; Gómez, A .; Reyes, J.A. (2001). "MCM-41 Etilen-Vinil Asetat Kopolimerlerinin Katalitik Pirolizi. Kinetik Model". Polimer. 42 (19): 8103–8111. doi:10.1016 / S0032-3861 (01) 00277-4.
  11. ^ Marcilla, A .; Gómez, A .; Reyes-Labarta, J.A .; Giner, A. (2003). "MCM-41. Kinetik model kullanılarak polipropilenin katalitik pirolizi". Polimer Bozulması ve Kararlılığı. 80 (2): 233–240. doi:10.1016 / S0141-3910 (02) 00403-2.
  12. ^ Marcilla, A .; Gómez, A .; Reyes-Labarta, J.A .; Giner, A .; Hernández, F. (2003). "ZSM-5 ve bir denge sıvısı katalitik kraking katalizörü kullanılarak polipropilen pirolizinin kinetik çalışması". Analitik ve Uygulamalı Piroliz Dergisi. 68-63: 467–480. doi:10.1016 / S0165-2370 (03) 00036-6.
  13. ^ Conesa, J.A .; Caballero, J.A .; Reyes-Labarta, J.A. (2004). "Termal Ayrıştırmaları Modellemek için Yapay Sinir Ağı". Analitik ve Uygulamalı Piroliz Dergisi. 71: 343–352. doi:10.1016 / S0165-2370 (03) 00093-7.
  14. ^ Reyes, J.A .; Conesa, J.A .; Marcilla, A. (2001). "Poli kaplamalı kartonların geri dönüşümünün pirolizi ve yanması. Kinetik model ve ms analizi". Analitik ve Uygulamalı Piroliz Dergisi. 58-59: 747–763. doi:10.1016 / S0165-2370 (00) 00123-6.
  15. ^ Janeta, Mateusz; Szafert, Sławomir (2017-10-01). "P-halofenil uç grubu ile T8 tipi amido-POSS'un sentezi, karakterizasyonu ve termal özellikleri". Organometalik Kimya Dergisi. Organometalik Kimya: Stereokimyadan Katalize, Nanokimyaya, Profesör John Gladysz'in 65. doğum günü onuruna. 847 (Ek C): 173–183. doi:10.1016 / j.jorganchem.2017.05.044.
  16. ^ Tikhonov, N. A .; Arkhangelsky, I. V .; Belyaev, S. S .; Matveev, A. T. (2009). "Polimerik dokunmamış malzemelerin karbonizasyonu". Thermochimica Açta. 486 (1–2): 66–70. doi:10.1016 / j.tca.2008.12.020.