Termogravimetrik analiz - Thermogravimetric analysis
| kısaltma | TGA |
|---|---|
| sınıflandırma |
Isı analizi
|
| Diğer teknikler | |
| İlişkili |
İzotermal mikrokalorimetri Diferansiyel taramalı kalorimetri Dinamik mekanik analiz Termomekanik analiz Diferansiyel termal analiz Dielektrik termal analiz |
Termogravimetrik analiz veya termal gravimetrik analiz ( TGA ) bir yöntemdir termal analizde hangi kütle , bir numunenin bir ölçülen fazla zaman olarak ısı değişim. Bu ölçüm, faz geçişleri , absorpsiyon , adsorpsiyon ve desorpsiyon gibi fiziksel olaylar hakkında bilgi sağlar ; kimyasal olayların yanı sıra kimyasal emilim , termal bozunma ve katı-gaz reaksiyonları (örn. oksidasyon veya indirgeme ) dahil olmak üzere kimyasal fenomenler .
Termogravimetrik analizör
Termogravimetrik analiz (TGA), termogravimetrik analizör olarak adlandırılan bir cihaz üzerinde gerçekleştirilir. Bir termogravimetrik analizör, bir numunenin sıcaklığı zamanla değişirken sürekli olarak kütleyi ölçer. Termogravimetrik analizde kütle, sıcaklık ve zaman 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 uygulamalar için sıcaklık, sabit bir kütle kaybı için kontrol edilir), bir termal reaksiyona neden olur. Termal reaksiyon, aşağıdakiler dahil olmak üzere çeşitli atmosferlerde meydana gelebilir: ortam havası , vakum , soy gaz, oksitleyici/indirgeyici gazlar, aşındırıcı gazlar, karbonlaştırıcı gazlar, sıvıların buharları veya "kendiliğinden oluşan atmosfer"; yüksek vakum, yüksek basınç, sabit basınç veya kontrollü basınç dahil olmak üzere çeşitli basınçların yanı sıra .
Bir termal reaksiyondan toplanan termogravimetrik veriler, x eksenindeki sıcaklık veya zamana karşı y eksenindeki kütle veya ilk kütle yüzdesinin bir grafiğinde derlenir. Genellikle düzleştirilen bu çizime TGA eğrisi denir . TGA eğrisinin birinci türevi (DTG eğrisi), diferansiyel termal analizin yanı sıra derinlemesine yorumlar için faydalı bükülme noktalarını belirlemek için çizilebilir .
Karakteristik ayrışma modellerinin analizi yoluyla malzeme karakterizasyonu için bir TGA kullanılabilir. Termoplastikler , termosetler , elastomerler , kompozitler , plastik filmler , lifler , kaplamalar , boyalar ve yakıtlar dahil olmak üzere polimerik malzemelerin incelenmesi için özellikle yararlı bir tekniktir .
TGA Türleri
Üç tip termogravimetri vardır:
- İzotermal veya statik termogravimetri: Bu teknikte, numune ağırlığı sabit sıcaklıkta zamanın bir fonksiyonu olarak kaydedilir.
- Quasistatic termogravimetri: Bu teknikte, numune sıcaklığı, bir sonraki sıcaklık rampasının başlangıcından önce numune kütlesinin kararlılığa ulaştığı izotermal aralıklarla ayrılmış sıralı adımlarla yükseltilir.
- Dinamik termogravimetri: Bu teknikte numune, sıcaklığı doğrusal olarak değişen bir ortamda ısıtılır.
Uygulamalar
Termal kararlılık
TGA, bir malzemenin termal kararlılığını değerlendirmek için kullanılabilir . İstenen bir sıcaklık aralığında, eğer bir tür termal olarak kararlı ise, gözlemlenen hiçbir kütle değişimi olmayacaktır. İhmal edilebilir kütle kaybı, TGA izinde çok az eğime veya hiç eğime karşılık gelmez. TGA ayrıca bir malzemenin üst kullanım sıcaklığını da verir. Bu sıcaklığın ötesinde malzeme bozulmaya başlayacaktır.
TGA, polimerlerin analizinde kullanılır. Polimerler genellikle ayrışmadan önce erir, bu nedenle TGA esas olarak polimerlerin termal stabilitesini araştırmak için kullanılır. Çoğu polimer 200 °C'den önce erir veya bozunur. Bununla birlikte, TGA ile analiz edilebilecek, yapısal değişiklikler veya mukavemet kaybı olmaksızın havada en az 300 °C ve inert gazlarda 500 °C sıcaklığa dayanabilen termal olarak kararlı bir polimer sınıfı vardır.
Oksidasyon ve yanma
En basit malzeme karakterizasyonu, bir reaksiyondan sonra kalan kalıntıdır. Örneğin, normal koşullarda bir termogravimetrik analiz cihazına bir numune yüklenerek bir yanma reaksiyonu test edilebilir . Termogravimetrik analizör numuneyi ateşleme sıcaklığının ötesinde ısıtarak numunede iyon yanmasına neden olur . İlk kütlenin yüzdesi olarak y ekseni ile çizilen sonuçtaki TGA eğrisi, eğrinin son noktasındaki kalıntıyı gösterecektir.
Oksidatif kütle kayıpları, TGA'daki en yaygın gözlemlenebilir kayıplardır.
Bakır alaşımlarında oksidasyona karşı direncin incelenmesi çok önemlidir. Örneğin NASA (Ulusal Havacılık ve Uzay Dairesi), yanmalı motorlarda olası kullanımları için gelişmiş bakır alaşımları üzerinde araştırmalar yürütüyor . Bununla birlikte, oksijen açısından zengin atmosferlerde bakır oksitler oluştuğundan bu alaşımlarda oksidatif bozunma meydana gelebilir. NASA, mekik malzemelerini yeniden kullanabilmek istediği için oksidasyona karşı direnç çok önemlidir. TGA, pratik kullanım için bunlar gibi malzemelerin statik oksidasyonunu incelemek için kullanılabilir.
TG analizi sırasındaki yanma, üretilen TGA termogramlarında yapılan belirgin izler ile tanımlanabilir. İlginç bir örnek, büyük miktarda metal katalizörü bulunan , üretildiği gibi saflaştırılmamış karbon nanotüp örnekleriyle ortaya çıkar . Yanma nedeniyle, bir TGA izi, iyi davranışlı bir fonksiyonun normal biçiminden sapabilir. Bu fenomen, hızlı bir sıcaklık değişiminden kaynaklanır. Ağırlık ve sıcaklık zamana karşı çizildiğinde, birinci türev grafiğinde dramatik bir eğim değişikliği, numunenin kütle kaybı ve termokupl tarafından görülen sıcaklıktaki ani artış ile eşzamanlıdır. Kütle kaybı, zayıf kontrollü ağırlık kaybı nedeniyle karbon oksidasyonunun ötesinde, malzemenin kendisindeki tutarsızlıkların neden olduğu yanmadan çıkan duman parçacıklarının 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 taraflarından numune almak, sedimantasyonun tespit edilmesi için faydalı olabilir, çünkü termogramlar üst üste gelmeyecektir, ancak partikül dağılımı bir taraftan diğerine farklıysa aralarında bir boşluk gösterecektir.
termogravimetrik kinetik
Termogravimetrik kinetik , farklı malzemelerin piroliz ve yanma süreçlerinde yer alan termal (katalitik veya katalitik olmayan) ayrışmanın reaksiyon mekanizmalarını anlamak için araştırılabilir .
Ayrıştırma işleminin aktivasyon enerjileri Kissinger yöntemi kullanılarak hesaplanabilir.
Sabit bir ısıtma hızı daha yaygın olmasına rağmen, sabit bir kütle kaybı oranı, spesifik reaksiyon kinetiğini aydınlatabilir. Örneğin, polivinil butiralin karbonizasyonunun kinetik parametreleri, ağırlıkça %0.2'lik sabit bir kütle kaybı oranı kullanılarak bulundu.
Diğer enstrümanlarla kombinasyon halinde çalıştırma
Termogravimetrik analiz genellikle diğer işlemlerle birleştirilir veya diğer analitik yöntemlerle birlikte kullanılır.
Örneğin, TGA cihazı, Fourier dönüşümü kızılötesi spektroskopisi (FTIR) ve kütle spektrometrisi gaz analizi ile bağlantı için 2000 °C'ye kadar sıcaklıklara ısıtıldığı için numuneyi sürekli olarak tartar . Sıcaklık arttıkça numunenin çeşitli bileşenleri ayrışır ve sonuçta ortaya çıkan her kütle değişikliğinin ağırlık yüzdesi ölçülebilir.
| Sr.No. | Termal gravimetrik analiz (TGA) | Diferansiyel termal analiz (DTA) |
|---|---|---|
| 1 | TGA'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. |
| 2 | TGA eğrisi, yatay ve kavisli bölümleri içeren adımlar olarak görünür. | DTA eğrisi yukarı ve aşağı tepe noktaları gösterir. |
| 3 | TGA'da kullanılan alet bir termo terazidir. | DTA'da kullanılan alet bir DTA Aparatıdır. |
| 4 | TGA, yalnızca ısıtma veya soğutma sırasında kütlesinde değişiklik gösteren maddeler için bilgi verir. | DTA, anlamlı bilgi elde etmek için numunenin kütlesinde bir değişiklik gerektirmez.
DTA, ısının emildiği veya serbest bırakıldığı herhangi bir süreci incelemek için kullanılabilir. |
| 5 | TGA için kullanılan üst sıcaklık normalde 1000 °C'dir. | DTA için kullanılan üst sıcaklık genellikle TGA'dan daha yüksektir (1600 °C kadar yüksek). |
| 6 | Kütle m'deki kayıp ölçülerek termal eğriden nicel analiz yapılır . | Kantitatif analiz, tepe alanları ve tepe yükseklikleri ölçülerek yapılır. |
| 7 | TGA'da elde edilen veriler, malzemelerin saflığının ve bileşiminin belirlenmesinde, malzemelerin kurutma ve tutuşma sıcaklıklarının belirlenmesinde ve bileşiklerin kararlılık sıcaklıklarının bilinmesinde faydalıdır. | DTA'da elde edilen veriler, maddelerin geçiş sıcaklıklarını, reaksiyonlarını ve erime noktalarını belirlemek için kullanılır. |
