Из Википедии, бесплатной энциклопедии
Перейти к навигации Перейти к поиску
Термогравиметрический анализ
АкронимTGA
КлассификацияТермический анализ

Термогравиметрический анализатор.jpg

Типичная система TGA
Другие техники
СвязанныйИзотермическая 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 ).[1]

Термогравиметрический анализатор [ править ]

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, в то время как многие дополнительные измерения могут быть получены на основе этих трех основных 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 атмосферах, включая: окружающий воздух , вакуум , инертный газ, окисляющие / восстанавливающие 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 сглаживается , называют кривой ТГА . Первая производная кривой TGA (кривая DTG) может быть построена для определения точек перегиба, полезных для углубленной интерпретации, а также для дифференциального термического анализа .

ТГА можно использовать для определения характеристик материалов посредством анализа характерных структур разложения. Это особенно полезный метод для изучения полимерных материалов, включая термопласты , реактопласты , эластомеры , композиты , пластиковые пленки , волокна , покрытия , краски и топливо .

Типы TGA [ править ]

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 нагревают в среде, температура которой изменяется линейно.

Приложения [ править ]

Термическая стабильность [ править ]

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. [2] [3] [4]

Окисление и горение [ править ]

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 . Полученная 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. [5]

Изучение стойкости к окислению медных сплавов очень важно. Например, НАСА (Национальное управление по аэронавтике и исследованию космического пространства) проводит исследования усовершенствованных 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 в момент их производства, которые содержат большое количество металлического катализатора.настоящее время. 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 на одном и том же образце в разных точках также могут быть использованы 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. [6] [7]

Термогравиметрическая кинетика [ править ]

Термогравиметрическая кинетика может быть исследована 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 по методу Киссинджера. [15]

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. [16]

Работа в сочетании с другими инструментами [ править ]

Термогравиметрический анализ часто сочетается с другими процессами или используется в сочетании с другими аналитическими методами.

Например, прибор TGA непрерывно взвешивает образец по мере его нагрева до температуры до 2000 ° C для связи с инфракрасной спектроскопией с преобразованием Фурье (FTIR) и масс-спектрометрическим анализом газов. При повышении температуры различные компоненты образца разлагаются, и можно измерить весовой процент каждого результирующего изменения массы.

Сравнение методов термогравиметрического анализа и дифференциального термического анализа:
Sr. No.Термогравиметрический анализ (ТГА)Дифференциальный термический анализ (ДТА)
1В TGA потеря или прибавка веса измеряется как функция температуры или времени.В DTA разница температур между образцом и эталоном измеряется как функция температуры.
2Кривая ТГА представляет собой ступеньки, включающие горизонтальные и изогнутые участки.Кривая ДТА показывает восходящие и нисходящие пики.
3Прибор, используемый в ТГА, - это термовесы.Инструмент, используемый в DTA, - это устройство DTA.
4ТГА дает информацию только для веществ, которые показывают изменение массы при нагревании или охлаждении.DTA не требует изменения массы образца для получения значимой информации.

ДТА можно использовать для изучения любого процесса, в котором тепло поглощается или выделяется.

5Верхняя температура, используемая для ТГА, обычно составляет 1000 ° C.Верхняя температура, используемая для ДТА, часто выше, чем ТГА (до 1600 ° C).
6Количественный анализ проводится по тепловой кривой путем измерения потери массы m.Количественный анализ проводится путем измерения площадей и высоты пиков.
7Данные, полученные с помощью ТГА, полезны для определения чистоты и состава материалов, температуры сушки и воспламенения материалов и определения температур стабильности соединений.Данные, полученные в ДТА, используются для определения температур переходов, реакций и точек плавления веществ.

Ссылки [ править ]

  1. ^ Coats, AW; Редферн, JP (1963). «Термогравиметрический анализ: обзор». Аналитик . 88 (1053): 906–924. Bibcode : 1963Ana .... 88..906C . DOI : 10.1039 / AN9638800906 .
  2. ^ Лю, X .; Ю. В. (2006). «Оценка термической стабильности волокон с высокими эксплуатационными характеристиками с помощью TGA». Журнал прикладной науки о полимерах . 99 (3): 937–944. DOI : 10.1002 / app.22305 .
  3. Перейти ↑ Marvel, CS (1972). «Синтез термостойких полимеров». Ft. Belvoir: Центр технической информации Министерства обороны .
  4. ^ Тао, З .; Jin, J .; Ян, С .; Hu, D .; Li, G .; Цзян, Дж. (2009). «Синтез и характеристика фторированного ПБО с высокой термической стабильностью и низкой диэлектрической постоянной». Журнал высокомолекулярных науки, Часть B . 48 (6): 1114–1124. Bibcode : 2009JMSB ... 48.1114Z . DOI : 10.1080 / 00222340903041244 . S2CID 98016727 . 
  5. ↑ Войтович, В.Б .; Лавренко, В.А.; Войтович, РФ; Головко, Э.И. (1994). «Влияние чистоты на высокотемпературное окисление циркония». Окисление металлов . 42 (3–4): 223–237. DOI : 10.1007 / BF01052024 . S2CID 98272654 . 
  6. ^ Лопрести, Маттиа; Альберто, Габриэле; Кантамесса, Симона; Кантино, Джорджио; Контеросито, Элеонора; Палин, Лука; Миланезио, Марко (28 января 2020 г.). "Легкие, легко формуемые и нетоксичные композиты на основе полимеров для жесткой защиты от рентгеновских лучей: теоретическое и экспериментальное исследование" . Международный журнал молекулярных наук . 21 (3): 833. DOI : 10,3390 / ijms21030833 . PMC 7037949 . PMID 32012889 .  
  7. ^ Лопрести, Маттиа; Палин, Лука; Альберто, Габриэле; Кантамесса, Симона; Миланезио, Марко (20 ноября 2020 г.). «Композиты на основе эпоксидных смол для материалов, экранирующих рентгеновские лучи, с добавлением покрытого сульфатом бария с улучшенной диспергируемостью». Материалы Today Communications : 101888. doi : 10.1016 / j.mtcomm.2020.101888 .
  8. ^ Рейес-Лабарта, JA; Марсилла, А. (2012). «Термическая обработка и деградация сшитых пен этиленвинилацетат-полиэтилен-азодикарбонамид-ZnO. Полное кинетическое моделирование и анализ». Промышленные и инженерные химические исследования . 51 (28): 9515–9530. DOI : 10.1021 / ie3006935 .
  9. ^ Рейес-Лабарта, JA; Марсилла, А. (2008). "Кинетическое исследование разложения, участвующего в термическом разложении коммерческого азодикарбонамида" (PDF) . Журнал прикладной науки о полимерах . 107 (1): 339–346. DOI : 10.1002 / app.26922 . ЛВП : 10045/24682 .
  10. ^ Марсилла, А .; Gómez, A .; Рейес, Дж. А. (2001). «Каталитический пиролиз этилен-винилацетатных сополимеров MCM-41. Кинетическая модель». Полимер . 42 (19): 8103–8111. DOI : 10.1016 / S0032-3861 (01) 00277-4 .
  11. ^ Марсилла, А .; Gómez, A .; Reyes-Labarta, JA; Гинер, А. (2003). «Каталитический пиролиз полипропилена на МКМ-41. Кинетическая модель». Разложение и стабильность полимера . 80 (2): 233–240. DOI : 10.1016 / S0141-3910 (02) 00403-2 .
  12. ^ Марсилла, А .; Gómez, A .; Reyes-Labarta, JA; Giner, A .; 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. DOI : 10.1016 / S0165-2370 (03) 00036-6 .
  13. ^ Conesa, JA; Caballero, JA; Рейес-Лабарта, Дж. А. (2004). «Искусственная нейронная сеть для моделирования термического разложения». Журнал аналитического и прикладного пиролиза . 71 : 343–352. DOI : 10.1016 / S0165-2370 (03) 00093-7 .
  14. ^ Рейес, JA; Conesa, JA; Марсилла, А. (2001). «Пиролиз и сжигание вторичной переработки картона с многослойным покрытием. Кинетическая модель и анализ МС». Журнал аналитического и прикладного пиролиза . 58–59: 747–763. DOI : 10.1016 / S0165-2370 (00) 00123-6 .
  15. ^ Джанета, Матеуш; Шаферт, Славомир (01.10.2017). «Синтез, характеристика и термические свойства амидо-ПОСС типа Т8 с п-галогенфенильной концевой группой». Журнал металлоорганической химии . Металлоорганическая химия: от стереохимии до катализа и нанохимии в честь 65-летия профессора Джона Глэдиша. 847 (Дополнение C): 173–183. DOI : 10.1016 / j.jorganchem.2017.05.044 .
  16. ^ Тихонов, Н.А.; Архангельский, IV; Беляев, СС; Матвеев АТ (2009). «Карбонизация полимерных нетканых материалов». Thermochimica Acta . 486 (1–2): 66–70. DOI : 10.1016 / j.tca.2008.12.020 .