Термогравиметрический анализ
| Акроним | ТГА |
|---|---|
| Классификация | Термический анализ
|
| Другие методы | |
| 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 дает информацию о физических явлениях, таких как фазовые переходы , абсорбция , адсорбция и десорбция ; а также химические явления, включая хемосорбцию , термическое разложение и реакции твердого тела и газа (например, окисление или восстановление ). [1]
Термогравиметрический анализатор
[ редактировать ]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 основными измерениями в термогравиметрическом анализе, хотя на основе этих трех основных измерений можно получить множество дополнительных показателей.
Типичный термогравиметрический анализатор состоит из прецизионных весов с чашей для образца, расположенной внутри печи с программируемой контрольной температурой. Температуру обычно повышают с постоянной скоростью (или в некоторых случаях температуру контролируют для постоянной потери массы), чтобы вызвать тепловую реакцию. Термическая реакция может происходить в различных средах, включая: окружающий воздух , вакуум , инертный газ, окислительные/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 виде графика массы или процента исходной массы по оси y в зависимости от температуры или времени по оси x. Этот график, который часто сглаживается , называется кривой ТГА . Первая производная кривой ТГА (кривая ДТГ) может быть построена для определения точек перегиба, полезных для углубленной интерпретации, а также дифференциального термического анализа .
ТГА можно использовать для определения характеристик материалов посредством 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
[ редактировать ]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 до начала следующего изменения температуры.
- Динамическая термогравиметрия. В этом методе образец нагревается в среде, температура которой изменяется линейно.
Приложения
[ редактировать ]Термическая стабильность
[ редактировать ]ТГА можно использовать для оценки термической стабильности материала. В желаемом диапазоне температур, если вид термически стабилен, изменения массы не будет наблюдаться. Незначительная потеря массы соответствует небольшому наклону или отсутствию наклона кривой ТГА. ТГА также дает верхнюю температуру использования материала. За пределами этой температуры материал начнет разлагаться.
ТГА используется при анализе полимеров. Полимеры обычно плавятся до того, как разложатся, поэтому ТГА в основном используется для исследования термической стабильности полимеров. Большинство полимеров плавятся или разлагаются при температуре до 200 °C. Однако существует класс термостабильных полимеров, способных выдерживать температуры не менее 300 °С на воздухе и 500 °С в инертных газах без структурных изменений и потери прочности, что можно проанализировать методом ТГА. [2] [3] [4]
Окисление и горение
[ редактировать ]Самая простая характеристика материалов – это остаток, остающийся после реакции. Например, реакцию горения можно проверить, загрузив образец в термогравиметрический анализатор при нормальных условиях . Термогравиметрический анализатор вызовет возгорание ионов в образце, нагревая его выше температуры воспламенения . Результирующая кривая ТГА, построенная по оси Y в процентах от исходной массы, покажет остаток в конечной точке кривой.
Окислительные потери массы являются наиболее распространенными наблюдаемыми потерями при ТГА. [5]
Изучение стойкости медных сплавов к окислению имеет большое значение. Например, НАСА (Национальное управление по аэронавтике и исследованию космического пространства) проводит исследования перспективных медных сплавов для их возможного использования в двигателях внутреннего сгорания . Однако в этих сплавах может произойти окислительная деградация, поскольку оксиды меди образуются в атмосфере, богатой кислородом. Устойчивость к окислению имеет важное значение, поскольку НАСА хочет иметь возможность повторно использовать материалы шаттла. ТГА можно использовать для изучения статического окисления подобных материалов в целях практического использования.
Горение во время анализа ТГ можно определить по отчетливым следам на полученных термограммах ТГА. Один интересный пример происходит с образцами неочищенных углеродных нанотрубок , которые содержат большое количество металлического катализатора . Из-за сгорания кривая ТГА может отклоняться от нормальной формы нормально функционирующей функции. Это явление возникает из-за быстрого изменения температуры. Когда вес и температура отображаются в зависимости от времени, резкое изменение наклона графика первой производной совпадает с потерей массы образца и внезапным увеличением температуры, наблюдаемым термопарой. Потеря массы могла произойти из-за частиц дыма, выделяющихся при горении, вызванных несоответствиями в самом материале, помимо окисления углерода из-за плохо контролируемой потери веса.
Разные потери веса одного и того же образца в разных точках также можно использовать в качестве диагностики анизотропии образца. Например, отбор проб с верхней и нижней стороны образца с диспергированными частицами внутри может быть полезен для обнаружения седиментации, поскольку термограммы не будут перекрываться, а покажут зазор между ними, если распределение частиц из стороны в сторону различно. [6] [7]
Термогравиметрическая кинетика
[ редактировать ]Термогравиметрическая кинетика может быть изучена для понимания механизмов реакции термического (каталитического или некаталитического) разложения, участвующего в процессах пиролиза и горения различных материалов. [8] [9] [10] [11] [12] [13] [14]
Энергии активации процесса разложения можно рассчитать с помощью метода Киссинджера. [15]
Хотя постоянная скорость нагревания встречается чаще, постоянная скорость потери массы может пролить свет на конкретную кинетику реакции. Например, кинетические параметры карбонизации поливинилбутираля были найдены при постоянной скорости потери массы 0,2 мас. %/мин. [16]
Работа в сочетании с другими инструментами
[ редактировать ]Термогравиметрический анализ часто комбинируется с другими процессами или используется вместе с другими аналитическими методами.
Например, прибор ТГА непрерывно взвешивает образец, пока он нагревается до температуры до 2000 °C, для использования в сочетании с инфракрасной спектроскопией с преобразованием Фурье (FTIR) и масс-спектрометрическим анализом газа. По мере повышения температуры различные компоненты образца разлагаются, и можно измерить весовой процент каждого результирующего изменения массы.
| Sr.No. | Термогравиметрический анализ (ТГА) | Дифференциальный термический анализ (ДТА) |
|---|---|---|
| 1 | При ТГА потеря или прибавка веса измеряется как функция температуры или времени. | В ДТА разница температур между образцом и эталоном измеряется как функция температуры. |
| 2 | Кривая ТГА выглядит как ступеньки, состоящие из горизонтальных и изогнутых участков. | Кривая DTA показывает восходящие и нисходящие пики. |
| 3 | Прибор, используемый в ТГА, представляет собой термовесы. | Инструмент, используемый в ДТА, представляет собой аппарат ДТА. |
| 4 | ТГА дает информацию только о веществах, масса которых изменяется при нагревании или охлаждении. | ДТА не требует изменения массы образца для получения значимой информации. ДТА можно использовать для изучения любого процесса, в котором поглощается или выделяется тепло. |
| 5 | Верхняя температура, используемая для ТГА, обычно составляет 1000 °C. | Верхняя температура, используемая для ДТА, часто выше, чем для ТГА (до 1600 °C). |
| 6 | Количественный анализ проводится по термической кривой путем измерения потери массы. м. | Количественный анализ проводят путем измерения площадей и высот пиков. |
| 7 | Данные, полученные с помощью ТГА, полезны для определения чистоты и состава материалов, температур сушки и воспламенения материалов, а также определения температур стабильности соединений. | Данные, полученные в ДТА, используются для определения температур переходов, реакций и плавления веществ. |
Ссылки
[ редактировать ]- ^ Коутс, AW; Редферн, JP (1963). «Термогравиметрический анализ: обзор». Аналитик . 88 (1053): 906–924. Бибкод : 1963Ана....88..906С . дои : 10.1039/AN9638800906 .
- ^ Лю, X.; Ю, В. (2006). «Оценка термической стабильности высокопроизводительных волокон методом ТГА». Журнал прикладной науки о полимерах . 99 (3): 937–944. дои : 10.1002/app.22305 .
- ^ Марвел, CS (1972). «Синтез термостабильных полимеров». футов. Бельвуар: Центр технической информации Министерства обороны .
- ^ Тао, З.; Джин, Дж.; Ян, С.; Ху, Д.; Ли, Г.; Цзян, Дж. (2009). «Синтез и характеристика фторированного ПБО с высокой термической стабильностью и низкой диэлектрической проницаемостью». Журнал макромолекулярной науки, часть B. 48 (6): 1114–1124. Бибкод : 2009JMSB...48.1114Z . дои : 10.1080/00222340903041244 . S2CID 98016727 .
- ^ Войтович В.Б.; Лавренко В.А.; Войтович, РФ; Головко, Е.И. (1994). «Влияние чистоты на высокотемпературное окисление циркония». Окисление металлов . 42 (3–4): 223–237. дои : 10.1007/BF01052024 . S2CID 98272654 .
- ^ Лопрести, Маттиа; Альберто, Габриэле; Кантамесса, Симона; Кантино, Джорджио; Контерозито, Элеонора; Пэйлин, Лука; Миланезио, Марко (28 января 2020 г.). «Легкие, легко формуемые и нетоксичные композиты на основе полимеров для жесткой рентгеновской защиты: теоретическое и экспериментальное исследование» . Международный журнал молекулярных наук . 21 (3): 833. doi : 10.3390/ijms21030833 . ПМК 7037949 . ПМИД 32012889 .
- ^ Лопрести, Маттиа; Пэйлин, Лука; Альберто, Габриэле; Кантамесса, Симона; Миланезио, Марко (20 ноября 2020 г.). «Композиты эпоксидных смол для рентгенозащитных материалов с добавками сульфата бария с улучшенной диспергируемостью». Материалы сегодня Коммуникации . 26 : 101888. doi : 10.1016/j.mtcomm.2020.101888 . S2CID 229492978 .
- ^ Рейес-Лабарта, JA; Марсилла, А. (2012). «Термическая обработка и разложение сшитых пен этиленвинилацетат-полиэтилен-азодикарбонамид-ZnO. Полное кинетическое моделирование и анализ». Исследования в области промышленной и инженерной химии . 51 (28): 9515–9530. дои : 10.1021/ie3006935 .
- ^ Рейес-Лабарта, JA; Марсилла, А. (2008). «Кинетическое исследование разложений, связанных с термическим разложением коммерческого азодикарбонамида» (PDF) . Журнал прикладной науки о полимерах . 107 (1): 339–346. дои : 10.1002/app.26922 . hdl : 10045/24682 . Архивировано (PDF) из оригинала 1 мая 2021 г. Проверено 24 февраля 2022 г.
- ^ Марсилла, А.; Гомес, А.; Рейес, Дж. А. (2001). «Каталитический пиролиз сополимеров этилена и винилацетата MCM-41. Кинетическая модель». Полимер . 42 (19): 8103–8111. дои : 10.1016/S0032-3861(01)00277-4 .
- ^ Марсилла, А.; Гомес, А.; Рейес-Лабарта, JA; Гинер, А. (2003). «Каталитический пиролиз полипропилена с использованием МСМ-41. Кинетическая модель». Деградация и стабильность полимеров . 80 (2): 233–240. дои : 10.1016/S0141-3910(02)00403-2 .
- ^ Марсилла, А.; Гомес, А.; Рейес-Лабарта, JA; Гинер, А.; Эрнандес, Ф. (2003). «Кинетическое исследование пиролиза полипропилена с использованием ZSM-5 и равновесного флюидного катализатора каталитического крекинга». Журнал аналитического и прикладного пиролиза . 68–63: 467–480. Бибкод : 2003JAAP...68..467M . дои : 10.1016/S0165-2370(03)00036-6 .
- ^ Конеса, JA; Кабальеро, Дж.А.; Рейес-Лабарта, JA (2004). «Искусственная нейронная сеть для моделирования термического разложения». Журнал аналитического и прикладного пиролиза . 71 (1): 343–352. Бибкод : 2004JAAP...71..343C . дои : 10.1016/S0165-2370(03)00093-7 .
- ^ Рейес, Дж.А.; Конеса, JA; Марсилла, А. (2001). «Пиролиз и сжигание вторичной переработки картонных коробок с полипокрытием. Кинетическая модель и мс-анализ». Журнал аналитического и прикладного пиролиза . 58–59: 747–763. дои : 10.1016/S0165-2370(00)00123-6 .
- ^ Джанета, Матеуш; Шаферт, Славомир (01 октября 2017 г.). «Синтез, характеристика и термические свойства амидо-POSS типа Т8 с концевой п-галогенфенильной группой». Журнал металлоорганической химии . Металлоорганическая химия: от стереохимии к катализу и к нанохимии в честь 65-летия профессора Джона Гладиша. 847 (Приложение C): 173–183. дои : 10.1016/j.jorganchem.2017.05.044 .
- ^ Тихонов Н.А.; Архангельский, ИВ; Беляев, С.С.; Матвеев, А.Т. (2009). «Карбонизация полимерных нетканых материалов». Термохимика Акта . 486 (1–2): 66–70. дои : 10.1016/j.tca.2008.12.020 .