Termogravimetrisk analys
| Akronym | TGA |
|---|---|
| Klassificering |
|
| Andra tekniker | |
| Relaterad |
Isotermisk mikrokalorimetri Differential scanning kalorimetri Dynamisk mekanisk analys Termomekanisk analys Differential termisk analys Dielektrisk termisk analys |
Termogravimetrisk analys eller termisk gravimetrisk analys ( TGA ) är en metod för termisk analys där massan av ett prov mäts över tid när temperaturen ändras. Denna mätning ger information om fysiska fenomen, såsom fasövergångar , absorption , adsorption och desorption ; såväl som kemiska fenomen inklusive kemisorptioner , termisk sönderdelning och fasta gasreaktioner (t.ex. oxidation eller reduktion ).
Termogravimetrisk analysator
Termogravimetrisk analys (TGA) utförs på ett instrument som kallas en termogravimetrisk analysator. En termogravimetrisk analysator mäter kontinuerligt massan medan temperaturen på ett prov ändras över tiden. Massa, temperatur och tid anses basmätningar i termogravimetrisk analys medan många ytterligare mätningar kan härledas från dessa tre basmätningar.
En typisk termogravimetrisk analysator består av en precisionsvåg med en provpanna placerad inuti en ugn med en programmerbar kontrolltemperatur. Temperaturen ökas i allmänhet med konstant hastighet (eller för vissa tillämpningar kontrolleras temperaturen för en konstant massförlust) för att åstadkomma en termisk reaktion. Den termiska reaktionen kan inträffa under en mängd olika atmosfärer inklusive: omgivande luft , vakuum , inert gas, oxiderande/reducerande gaser, korrosiva gaser, uppkolande gaser, vätskeångor eller "självgenererad atmosfär"; såväl som en mängd olika tryck inklusive: ett högt vakuum, högt tryck, konstant tryck eller ett kontrollerat tryck.
De termogravimetriska data som samlas in från en termisk reaktion sammanställs till ett diagram av massa eller procentandel av initial massa på y-axeln kontra antingen temperatur eller tid på x-axeln. Denna plot, som ofta jämnas ut , kallas en TGA- kurva . Den första derivatan av TGA-kurvan (DTG-kurvan) kan plottas för att bestämma inflexionspunkter som är användbara för djupgående tolkningar såväl som differentiell termisk analys .
En TGA kan användas för materialkaraktärisering genom analys av karakteristiska nedbrytningsmönster. Det är en särskilt användbar teknik för att studera polymera material, inklusive termoplaster , härdplaster , elastomerer , kompositer , plastfilmer , fibrer , beläggningar , färger och bränslen .
Typer av TGA
Det finns tre typer av termogravimetri:
- Isotermisk eller statisk termogravimetri: I denna teknik registreras provvikten som en funktion av tiden vid en konstant temperatur.
- Kvasistatisk termogravimetri: I denna teknik höjs provets temperatur i sekventiella steg åtskilda av isotermiska intervall, under vilka provmassan når stabilitet innan nästa temperaturramp startar.
- Dynamisk termogravimetri: I denna teknik värms provet upp i en miljö vars temperatur ändras på ett linjärt sätt.
Ansökningar
Termisk stabilitet
TGA kan användas för att utvärdera den termiska stabiliteten hos ett material. I ett önskat temperaturområde, om en art är termiskt stabil, kommer det inte att observeras någon massaförändring. Försumbar massaförlust motsvarar liten eller ingen lutning i TGA-kurvan. TGA ger också den övre användningstemperaturen för ett material. Efter denna temperatur kommer materialet att börja brytas ned.
TGA används vid analys av polymerer. Polymerer smälter vanligtvis innan de sönderfaller, därför används TGA främst för att undersöka polymerernas termiska stabilitet. De flesta polymerer smälter eller bryts ned före 200 °C. Det finns dock en klass av termiskt stabila polymerer som klarar temperaturer på minst 300 °C i luft och 500 °C i inerta gaser utan strukturella förändringar eller hållfasthetsförluster, vilket kan analyseras med TGA.
Oxidation och förbränning
Den enklaste materialkarakteriseringen är återstoden som finns kvar efter en reaktion. Till exempel kan en förbränningsreaktion testas genom att ladda ett prov i en termogravimetrisk analysator under normala förhållanden . Den termogravimetriska analysatorn skulle orsaka jonförbränning i provet genom att värma det över dess antändningstemperatur . Den resulterande TGA-kurvan plottad med y-axeln som en procentandel av initial massa skulle visa återstoden vid den sista punkten av kurvan.
Oxidativa massförluster är de vanligaste observerbara förlusterna i TGA.
Att studera motståndskraften mot oxidation i kopparlegeringar är mycket viktigt. Till exempel bedriver NASA (National Aeronautics and Space Administration) forskning om avancerade kopparlegeringar för deras möjliga användning i förbränningsmotorer . Oxidativ nedbrytning kan dock ske i dessa legeringar eftersom kopparoxider bildas i atmosfärer som är rika på syre. Motståndet mot oxidation är betydande eftersom NASA vill kunna återanvända skyttelmaterial. TGA kan användas för att studera statisk oxidation av material som dessa för praktisk användning.
Förbränning under TG-analys kan identifieras genom distinkta spår gjorda i de producerade TGA-termogrammen. Ett intressant exempel inträffar med prover av orenade kolnanorör som producerats som har en stor mängd metallkatalysator närvarande . På grund av förbränning kan ett TGA-spår avvika från den normala formen av en väluppfostrad funktion. Detta fenomen uppstår från en snabb temperaturförändring. När vikten och temperaturen plottas mot tiden, är en dramatisk lutningsförändring i den första derivatan plottad samtidigt med massaförlusten av provet och den plötsliga ökningen i temperatur som ses av termoelementet. Massförlusten kan bero på rökpartiklar som frigörs från förbränning orsakade av inkonsekvenser i själva materialet, bortom oxidation av kol på grund av dåligt kontrollerad viktminskning.
Olika viktminskningar på samma prov vid olika punkter kan också användas som diagnos på provets anisotropi. Exempelvis kan provtagning av ovansidan och undersidan av ett prov med dispergerade partiklar inuti vara användbart för att upptäcka sedimentation, eftersom termogram inte kommer att överlappa utan kommer att visa ett gap mellan dem om partikelfördelningen är annorlunda från sida till sida.
Termogravimetrisk kinetik
Termogravimetrisk kinetik kan utforskas för insikt i reaktionsmekanismerna för termisk (katalytisk eller icke-katalytisk) nedbrytning involverad i pyrolys- och förbränningsprocesser av olika material.
Aktiveringsenergier för sönderdelningsprocessen kan beräknas med Kissingers metod.
Även om en konstant uppvärmningshastighet är vanligare, kan en konstant massförlusthastighet belysa specifik reaktionskinetik. Till exempel hittades de kinetiska parametrarna för karboniseringen av polyvinylbutyral med användning av en konstant massförlusthastighet av 0,2 vikt-%/min.
Drift i kombination med andra instrument
Termogravimetrisk analys kombineras ofta med andra processer eller används i samband med andra analysmetoder.
TGA-instrumentet väger till exempel kontinuerligt ett prov när det värms upp till temperaturer på upp till 2000 °C för koppling med Fourier-transform infraröd spektroskopi ( FTIR) och masspektrometrigasanalys . När temperaturen ökar sönderdelas olika komponenter i provet och viktprocenten av varje resulterande massförändring kan mätas.
| Sr.nr. | Termisk gravimetrisk analys (TGA) | Differentiell termisk analys (DTA) |
|---|---|---|
| 1 | I TGA mäts viktminskningen eller -ökningen som en funktion av temperatur eller tid. | I DTA mäts temperaturskillnaden mellan ett prov och referens som en funktion av temperaturen. |
| 2 | TGA-kurvan visas som steg som involverar horisontella och krökta delar. | DTA-kurvan visar uppåtgående och nedåtgående toppar. |
| 3 | Instrument som används i TGA är en termobalans. | Instrument som används i DTA är en DTA-apparat. |
| 4 | TGA ger endast information om ämnen som visar en förändring i massa vid uppvärmning eller kylning. | DTA kräver ingen förändring av provets massa för att få meningsfull information. DTA kan användas för att studera alla processer där värme absorberas eller frigörs. |
| 5 | Den övre temperaturen som används för TGA är normalt 1000 °C. | Den övre temperaturen som används för DTA är ofta högre än TGA (så hög som 1600 °C). |
| 6 | Kvantitativ analys görs från den termiska kurvan genom att mäta förlusten i massa m. | Kvantitativ analys görs genom att mäta toppareorna och topphöjderna. |
| 7 | De data som erhålls i TGA är användbara för att bestämma renheten och sammansättningen av material, torknings- och antändningstemperaturer för material och känna till föreningars stabilitetstemperaturer. | Data som erhålls i DTA används för att bestämma temperaturer för övergångar, reaktioner och smältpunkter för ämnen. |
