آنالیزهای حرارتی (TGA-DTG-DSC) و تفسیر نتایج آنها

آنالیز توزین حرارتی Thermal Gravimetric Analysis )TGA)

آنالیز توزین حرارتی یکی از روش های آنالیز حرارتی ساده و کاربردی است که تغییرات جرم نمونه را در اثر افزایش دما اندازه گیری می کند. معمولا این روش آنالیز برای بررسی موادی که در اثر حرارت تجزیه شده و یا با گازهای موجود در محیط واکنش می دهند به کار می رود. تغییرجرم نمونه با ترازوی بسیار دقیق الکترونیکی اندازه گیری می شود و در نهایت نمودار تغییرات جرم بر حسب دما و یا زمان رسم می شود.

 تفسیر نتایج آنالیز توزین حرارتی

تغییرات جرم نمونه در اثر تجزیه حرارتی و یا اکسید شدن و واکنش با سایر گازها است که به صورت کاهش یا افزایش درصد وزنی در نمودار رسم خواهد شد. به طور مثال در نمودار زیر می توان دمای شروع و پایان تجزیه حرارتی نمونه را اندازه گیری کرد، همچنین تغییرات درصد وزنی نمونه در دماهای متفاوت مشاهده می شود.

شکل 1: نمودار TGA، کاهش وزن نمونه در اثر تجزیه حرارتی

در نمودار بالا نمونه به طور کامل تجزیه شده و کاهش وزن ۱۰۰درصدی دارد. عواملی مانند آب زدایی، خشک شدن، واجذب، حل شدن، تخریب حرارتی و واکنش های جامد-جامد منجر به کاهش وزن نمونه می شود. از طرفی واکنش های جامد-گاز، اکسیداسیون، جذب سطحی و جذب درونی منجر به افزایش درصد وزنی نمونه می شود. در نمودار تجزیه حرارتی چند مرحله ای CaC­_۲O_۴.۴H_۲O نشان داده شده است. دمای اولیه و نهایی و میزان کاهش وزن در هر مرحله و همچنین درصد وزنی جامد نهایی مشخص شده است.

شکل 2: نمودار TGA نمونه Ca­C_۲O_۴.H_۲O

مشتق توزین حرارتی (Derivative Thermal Gravimetric  DTG)

اگر رویدادهای حرارتی در آنالیز TGA نزدیک به یکدیگر باشند، تشخیص آن ها با مشکل روبه رو خواهد شد. برای حل این مشکل از مشتق نمودار TGA استفاده می شود که با تغییر قسمتی از دستگاه، نمودار مشتق نمودار TGA بر حسب دما رسم می شود. شکل زیر نمودار TGA و مشتق آن را نشان می دهد. کلیه نقاط عطف نمودارTGA به صورت پیک در نمودار DTG ظاهر می شوند. این روش آنالیز کمک می کند تا دقیق تر بتوان رفتار ماده تحت حرارت را مطالعه کرد و از بروز خطا در نمودارهایی که به ظاهر تنها یک مرحله دارند، جلوگیری خواهد شد. شدت پیک ها متناسب با شیب تغییرات وزنی در نمودار TGA است. پیک های باریک تر و شدیدتر مربوط به تغییرات وزنی بالاتر و شیب بیشتر است. همچنین با مشاهده سطح زیر پیک ها می توان میزان تغییرات جرم نمونه را مقایسه کرد.

شکل 3: نمودار TGA و DTG.

 آنالیز گرماسنج روبشی تفاضلی (Differential Scanning Calorimetry DSC)

در این روش آنالیز، نمونه مجهول و شاهد تحت حرارت قرار گرفته و دمای هر دو یکسان نگه داشته می شود. انرژی ای که صرف ثابت نگه داشتن دمای نمونه شاهد و مجهول می شود، با یکدیگر متفاوت بوده و تفاوت این میزان انرژی بر حسب دما رسم می شود. این روش آنالیز به صورت مستقیم گرمای واکنش را محاسبه می کند و در دماهای کمتر از ۱۲۰۰ درجه سانتی گراد استفاده می شود.

در این دستگاه، نمونه شاهد و مجهول، به ترموکوپل و گرمکن های الکتریکی متصل اند. مدار کنترل کننده در این سیستم مقدار گرمای لازم برای یکسان نگه داشتن دمای نمونه شاهد و مجهول را مشخص کرده و سپس به سیستم اعمال می شود. در نهایت اختلاف انرژی اعمال شده بر حسب دما توسط دستگاه رسم خواهد شد.

نمودار زیر نتیجه آنالیز DSC نمونه ای پلیمری است که می توان به کمک آن به اطلاعات مختلفی مانند دمای ذوب، بلوری شدن، انتقال شیشه ای، تجزیه و اکسید شدن ماده پی برد. پیک های رو به بالا پیک های گرماگیر و پیک های رو به پایین گرما زا هستند. همچنین خواصی مانند ظرفیت حرارتی ویژه، انرژی فعال سازی، گرمای واکنش، انحلال و ذوب را می توان اندازه گیری کرد. در شکل زیر شکل مرسوم هر پدیده مشاهده می شود.

شکل 4: نتیجه آنالیز DSC و تفسیر پیک های ظاهر شده