(TGA)آنالیز توزین حرارتی

روش آنالیز توزین حرارتی (Thermogravimetric Analysis) یا TGA ساده ترین روش آنالیز حرارتی است که اساس آن بر اندازه گیری وزن نمونه در هنگام گرمایش استوار است. این روش زمانی که ماده در خلال گرمایش، تجزیه شود و یا با محیط گازی اطراف خود واکنش کند، اطلاعات مفیدی را ارائه خواهد کرد. دستگاه توزین حرارتی دارای یک ترازوی الکترونیکی حساس است که تغییر وزن نمونه را بر اساس تغییر جریان الکتریکی، در یک سیم پیچ اندازه گیری می کند. نمونه، در داخل بوته ای از جنس پلاتین یا آلومینا، به صورت آویزان در داخل کوره قرار می گیرد. انتهای سیم آویز، به یک هسته مغناطیسی متصل است که به دلیل تغییر وزن، به داخل استوانه سیم پیچ، وارد و یا از آن خارج می شود. بر حسب حرکت این هسته، جریان الکتریکی متناسب با تغییر وزن نمونه، در سیم پیچ القا و پس از تقویت به قسمت ثبت کننده فرستاده خواهد شد.

دمای نمونه با ترموکوپلی که در نزدیکی و زیر بوته ای که نمونه در آن قرار دارد اندازه گیری می شود. در قسمت ثبت کننده جریان القا شده در سیم پیچ که متناسب با تغییر وزن نمونه است، محور عمودی و جریان الکتریکی پدید آمده در ترموکوپل به عنوان محور افقی، منحنی تغییر وزن نمونه را نسبت به دما رسم می کنند.

وزن نمونه مورد نیاز در روش توزین حرارتی، 20 تا 200 میلی گرم و به صورت پودر ریزدانه می باشد. محیط کوره به صورت ساکن، گاز در جریان و یا ممکن است بدون هوا باشد. کوره دستگاه، از نوع الکتریکی است و امکان گرمایش و سرمایش سریع وجود دارد. بنابراین کوره ای ظریف با طول 20-15 و قطر داخلی 5-3 سانتی متر مناسب خواهد بود. قسمت اندازه گیری وزن در دستگاه های امروزی، حساسیتی حدود یک میکروگرم دارند و بنابراین دستگاه باید به کلی از ارتعاشات محیطی در امان باشد.

از این منحنی ها می توان به دو صورت استفاده کرد. یکی تعیین دمای آغاز و پایان رویداد (های) حرارتی که برای هر مرحله از تغییر وزن به صورت دمای ابتدایی (Ti) و دمای پایانی (Tr) نشان داده می شود و دیگری مقدار کاهش وزن برای هر مرحله از تغییر وزن که به صورت درصد نوشته خواهد شد. محور افقی، همواره دما را با مقیاس درجه سانتی گراد و محور عمودی درصد تغییر وزن را نشان می دهد. دماهای آغاز و پایان هر رویداد حرارتی، در منحنی های TGA وابسته به شرایط انجام آزمایش هستند. مهمترین عوامل موثر عبارتند از سرعت گرمایش، محیط کوره، ویژگی های نمونه، شکل و جنس جا نمونه ای. با افزایش سرعت گرمایش، چون تعادل حرارتی با تاخیر روبرو می شود، این دماها به دماهای بالاتر منتقل می شوند.

سرعت گرمایش در آزمایش TGA، می تواند 5 تا 10 درجه سانتی گراد بر دقیقه انتخاب شود، ولی در برخی از دستگاه ها سرعت هایی از 0.1 تا 50 درجه سانتی گراد بر دقیقه نیز امکان پذیر است. مقدار جابه جایی دماهای Ti و Tr به ازای افزایش سرعت گرمایش، بیش از 15 درجه سانتی گراد نخواهد بود. محیط کوره ای که آزمایش توزین حرارتی در آن انجام می شود نیز می تواند دماهای آغاز و پایان تغییر وزن را تحت تاثیر قرار دهد.

از جمله عوامل موثر بر نتایج بدست آمده از آزمایش توزین حرارتی، جنس و شکل هندسی نمونه است. تعادل حرارتی نمونه، به طور عمده وابسته به تبادل حرارت نمونه یا جا نمونه ای بوده و بنابراین جنس و شکل هندسی آن می تواند بر دماهای آغاز و پایان واکنش موثر باشد. جا نمونه ای از جنس مواد سرامیکی، مانند آلومینا یا کوارتز و یا از نوع فلزی مانند پلاتین و نیکل انتخاب می شود. نوع پلاتینی، بیشتر به کار می رود، ولی چون گران قیمت است، باید به ویژگی های نمونه مجهول، مانند شکل، اندازه ذرات پودر و مقدار نمونه نیز در نتایج به دست آمده از آزمایش توزین حرارتی اثر دارند. همه این عوامل بر تعادل حرارتی و بنابراین دماهای آغاز و پایان واکنش موثر هستند.

به عنوان مثال، با افزایش اندازه ذرات و یا مقدار نمونه، تعادل حرارتی دیرتر پدید می آید و بنابراین دماهای آغاز و پایان واکنش به دماهای بالاتری منتقل می شوند. هم چنین تراکم نمونه نیز به خاطر اثری که بر هدایت حرارتی آن دارد، نتیجه آزمایش را تحت تاثیر قرار می دهد. همانطور که اشاره شد، عوامل گوناگونی می توانند بر دماهای آغاز و پایان واکنش موثر باشند، ولی بر مقدار کاهش وزن اثری ندارند. مقدار تغییر وزن یک ماده در هنگام گرمایش، بستگی به ماهیت آن دارد و در یک گستره دمایی مشخص صورت می گیرد. به عنوان مثال، کاهش وزن کائولن خالص در حوالی 600 درجه سانتی گراد حدود 14 درصد وزنی است و تغییر سرعت گرمایش و یا مقدار نمونه و مانند آن فقط دمای این رویداد حرارتی را تغییر می دهد و بر مقدار کاهش وزن اثر ندارد.

اطلاعات