stringtranslate.com

Термогравиметрический анализ

Термогравиметрический анализ или термогравиметрический анализ ( ТГА ) — это метод термического анализа , в 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 о химических явлениях, включая хемосорбцию , термическое разложение и реакции твердого тела с газом (например, окисление или восстановление ). [1]

Термогравиметрический анализатор

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 базовыми измерениями в термогравиметрическом анализе, в то время как многие дополнительные измерения могут быть получены из этих трех базовых измерений.

Типичный термогравиметрический анализатор состоит из точных весов с поддоном для образца, расположенным внутри печи с программируемой температурой контроля. Температура обычно повышается с постоянной скоростью (или для некоторых приложений температура контролируется для постоянной потери массы), чтобы вызвать термическую реакцию. Термическая реакция может происходить в различных атмосферах, включая: окружающий воздух , вакуум , инертный газ, окислительные/восстановительные газы, едкие газы, науглероживающие газы, пары жидкостей или «самогенерируемую атмосферу»; а также в различных давлениях , включая: высокий вакуум, высокое давление, постоянное давление или контролируемое давление.

Термогравиметрические данные, собранные из термической реакции, компилируются в график массы или процента от исходной массы на оси y в зависимости от температуры или времени на 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 для дифференциального термического анализа .

TGA может использоваться для характеристики материалов посредством анализа характерных моделей разложения. Это особенно полезный метод для изучения полимерных материалов, включая термопластики , термореактивные пластики , эластомеры , композиты , пластиковые пленки , волокна , покрытия , краски и топливо .

Типы ТГА

Существует три типа термогравиметрии:

Приложения

Термическая стабильность

TGA можно использовать для оценки термической стабильности материала. В желаемом диапазоне температур, если вид термически стабилен, не будет наблюдаться никаких изменений массы. Незначительная потеря массы соответствует небольшому или отсутствующему наклону на кривой TGA. TGA также дает верхнюю температуру использования материала. Выше этой температуры материал начнет деградировать.

ТГА используется в анализе полимеров. Полимеры обычно плавятся до того, как разлагаются, поэтому ТГА в основном используется для исследования термической стабильности полимеров. Большинство полимеров плавятся или разлагаются до 200 °C. Однако существует класс термически стабильных полимеров, которые способны выдерживать температуры не менее 300 °C на воздухе и 500 °C в инертных газах без структурных изменений или потери прочности, которые можно анализировать с помощью ТГА. [2] [3] [4]

Окисление и горение

Простейшей характеристикой материалов является остаток, остающийся после реакции. Например, реакция горения может быть проверена путем загрузки образца в термогравиметрический анализатор при нормальных условиях . Термогравиметрический анализатор вызовет ионное горение в образце, нагревая его выше температуры воспламенения . Результирующая кривая ТГА, построенная по оси Y в виде процента от начальной массы, покажет остаток в конечной точке кривой.

Окислительные потери массы являются наиболее распространенными наблюдаемыми потерями в ТГА. [5]

Изучение стойкости к окислению медных сплавов очень важно. Например, NASA (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 деградация, поскольку в атмосферах, богатых кислородом, образуются оксиды меди. Устойчивость к окислению важна, поскольку NASA хочет иметь возможность повторно использовать материалы шаттла. TGA можно использовать для изучения статического окисления таких материалов для практического использования.

Горение во время анализа ТГ можно определить по отчетливым следам, оставленным на полученных термограммах ТГА. Один интересный пример происходит с образцами неочищенных углеродных нанотрубок , которые содержат большое количество металлического катализатора . Из-за горения след ТГА может отклоняться от нормальной формы хорошо ведущей себя функции. Это явление возникает из-за быстрого изменения температуры. Когда вес и температура наносятся на график в зависимости от времени, резкое изменение наклона на графике первой производной совпадает с потерей массы образца и внезапным повышением температуры, наблюдаемым термопарой. Потеря массы может быть вызвана частицами дыма, выделяющимися при горении, вызванном 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 использоваться 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 различается от стороны к стороне. [6] [7]

Термогравиметрическая кинетика

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 с помощью метода Киссинджера. [15]

Хотя постоянная скорость нагревания более распространена, постоянная скорость потери массы может пролить свет на специфическую кинетику реакции. Например, кинетические параметры карбонизации поливинилбутираля были найдены с использованием постоянной скорости потери массы 0,2 мас. %/мин. [16]

Эксплуатация в сочетании с другими инструментами

Термогравиметрический анализ часто сочетают с другими процессами или используют совместно с другими аналитическими методами.

Например, прибор TGA непрерывно взвешивает образец, нагреваемый до температур до 2000 °C для сопряжения с инфракрасной спектроскопией с преобразованием Фурье (FTIR) и масс-спектрометрическим газовым анализом. По мере повышения температуры различные компоненты образца разлагаются, и можно измерить весовой процент каждого полученного изменения массы.

Ссылки

  1. ^ Коутс, AW; Редферн, JP (2013). «Термогравиметрический анализ: обзор». Аналитик . 88 (1053): 906–924. Bibcode : 2013Ana....88..906C. doi : 10.1039/AN9638800906.
  2. ^ Лю, С.; Ю, В. (2006). «Оценка термической стабильности высокопроизводительных волокон с помощью ТГА». Журнал прикладной полимерной науки . 99 (3): 937–944. doi :10.1002/app.22305.
  3. ^ Marvel, CS (1972). «Синтез термостабильных полимеров». Ft. Belvoir: Defense Technical Information Center .
  4. ^ Тао, З.; Цзинь, Дж.; Ян, С.; Ху, Д.; Ли, Г.; Цзян, Дж. (2009). «Синтез и характеристика фторированного ПБО с высокой термической стабильностью и низкой диэлектрической постоянной». Журнал макромолекулярной науки, часть B. 48 ( 6): 1114–1124. Bibcode : 2009JMSB...48.1114Z. doi : 10.1080/00222340903041244. S2CID  98016727.
  5. ^ Войтович, В.Б.; Лавренко, ВА; Войтович, Р.Ф.; Головко, Е.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, Симоне; Кантино, Джорджио; Контеросито, 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 . PMC 7037949. PMID  32012889 . 
  7. ^ Лопрести, Маттиа; Палин, Лука; Альберто, Габриэле; Кантамесса, Симоне; Миланезио, Марко (20 ноября 2020 г.). «Композиты на основе эпоксидных смол для материалов, защищающих от рентгеновского излучения, с добавлением покрытого сульфата бария с улучшенной диспергируемостью». Materials Today Communications . 26 : 101888. doi : 10.1016/j.mtcomm.2020.101888. S2CID  229492978.
  8. ^ Рейес-Лабарта, JA; Марцилла, A. (2012). «Термическая обработка и деградация сшитых пен этиленвинилацетата-полиэтилена-азодикарбонамида-ZnO. Полное кинетическое моделирование и анализ». Industrial & Engineering Chemistry Research . 51 (28): 9515–9530. doi :10.1021/ie3006935.
  9. ^ Reyes-Labarta, JA; Marcilla, A. (2008). "Kinetic Study of the Decompositions Involved in the Thermal Degradation of Commercial Azodicarbonamide" (PDF) . Journal of Applied Polymer Science . 107 (1): 339–346. doi :10.1002/app.26922. hdl : 10045/24682 . Архивировано (PDF) из оригинала 2021-05-01 . Получено 2022-02-24 .
  10. ^ Марсилья, А.; Гомес, А.; Рейес, JA (2001). "MCM-41 Каталитический пиролиз сополимеров этилена и винилацетата. Кинетическая модель". Polymer . 42 (19): 8103–8111. doi :10.1016/S0032-3861(01)00277-4.
  11. ^ Marcilla, A.; Gómez, A.; Reyes-Labarta, JA; Giner, A. (2003). «Каталитический пиролиз полипропилена с использованием MCM-41. Кинетическая модель». Polymer Degradation and Stability . 80 (2): 233–240. doi :10.1016/S0141-3910(02)00403-2.
  12. ^ Marcilla, A.; Gómez, A.; Reyes-Labarta, JA; Giner, A.; Hernández, F. (2003). «Кинетическое исследование пиролиза полипропилена с использованием ZSM-5 и равновесного жидкостного катализатора каталитического крекинга». Журнал аналитического и прикладного пиролиза . 68–63: 467–480. Bibcode : 2003JAAP...68..467M. doi : 10.1016/S0165-2370(03)00036-6.
  13. ^ Conesa, JA; Caballero, JA; Reyes-Labarta, JA (2004). «Искусственная нейронная сеть для моделирования термических разложений». Журнал аналитического и прикладного пиролиза . 71 (1): 343–352. Bibcode : 2004JAAP...71..343C. doi : 10.1016/S0165-2370(03)00093-7.
  14. ^ Рейес, JA; Конеса, JA; Марцилла, A. (2001). «Пиролиз и горение переработки поликоатировавшихся картонных коробок. Кинетическая модель и анализ МС». Журнал аналитического и прикладного пиролиза . 58–59: 747–763. doi :10.1016/S0165-2370(00)00123-6.
  15. ^ Janeta, Mateusz; Szafert, Sławomir (2017-10-01). "Synthesis, characterization and thermal properties of T8 type amido-POSS with p-halophenyl end-group". Journal of Organometallic Chemistry . Organometallic Chemistry: from Stereochemistry to Catalysis to Nanochemistry в честь 65-летия профессора Джона Гладиша. 847 (Supplement C): 173–183. doi :10.1016/j.jorganchem.2017.05.044.
  16. ^ Тихонов, NA; Архангельский, IV; Беляев, SS; Матвеев, AT (2009). «Карбонизация полимерных нетканых материалов». Thermochimica Acta . 486 (1–2): 66–70. Bibcode :2009TcAc..486...66T. doi :10.1016/j.tca.2008.12.020.