آنالیز توزین حرارتی (TGA)

آنالیز حرارتی به مجموعه ای از آنالیزها اطلاق می شود که در آنها میزان تغییرات خواص فیزیکی یک ماده براثر حرارت سنجیده می شود. در بسیاری از آزمایش ها در مقیاس های صنعتی و آزمایشگاهی با موادی مواجه هستیم که لازم است اطلاعاتی در مورد میزان مقاومت تغییرات فیزیکی آن ماده در برابر حرارت داشته باشیم. منظور از تغییرات فیزیکی میزان تغییرات وزن، ابعاد، ظرفیت حرارتی و میزان هدایت الکتریکی نمونه است مثلا یک ماده تا چه محدوده دمایی برای آزمایش مناسب است و خواصش تغییر نمی کند یا از بین نمی رود. همچنین موادی وجود دارند که در آنالیز های پراش پرتو ایکس (به مقاله پراش پرتو ایکس رجوع شود در سایت مهامکس) قادر به شناسایی و تحلیل آنها نیستیم که در این صورت به سراغ روش های آنالیز حرارتی می رویم. به این صورت که ماده مورد نظر را طبق برنامه ای مشخص حرارت می دهیم تا خواص فیزیکی آن را بدست آوریم.

آنالیز حرارتی به چهار روش خروج مواد فرار از نمونه، تغییر شکل، میزان تغییر انرژی و میزان تغییر در وزن صورت می پذیرد. در این مقاله به آنالیز حرارتی بر مبنای تغییر وزن یا آنالیز توزین حرارتی (TGA) می پردازیم. آنالیز حرارتی تغییر وزن نیز به سه روش تغییر وزن در دمای ثابت، تغییر وزن در فشار ثابت و توزین حرارتی انجام می شود.

آنالیز توزین حرارتی (TGA) چیست

آنالیز TGA یکی از پرکاربردترین آنالیزها در شناسایی مواد شیمیایی است که در آن تغییرات وزن نمونه های مختلف با اعمال حرارت سنجیده می شود. این آنالیز بیشتر با هدف مطالعه میزان پایداری نمونه در برابر حرارت انجام می شود ولی در عمل می توان اطلاعات مفید دیگری را نظیر میزان رطوبت ماده، تبلور، دمای تخریب نمونه و غیره را به دست آورد.

در آزمون TGA معمولا نمونه در یک محفظه بوته مانند (این محفظه معمولا از ماده ای با دمای ذوب خیلی بالا نظیر آلومینیوم یا پلاتین ساخته می شود) قرار داده می شود و سپس داخل کوره قرار می گیرد. بوته مذکور به یک ترازوی خیلی حساس با دقت اندازه گیری ۰.۱ میلی گرم که داخل دستگاه تعبیه شده وصل می باشد. کوره مورد استفاده در این آنالیز به نمونه حرارت می دهد و تغییرات جرم نمونه از طریق ترازو اندازه گیری می شود و این تغییرات به صورت لحظه ای توسط کامپیوتری که به دستگاه متصل می باشد ذخیره می شود و در پایان کار به صورت یک نمودار (Thermogram) که تغییرات وزن نمونه را بر حسب تغییرات دما نشان می دهد به نمایش در می آورد. در آنالیز TGA کوره این قابلیت را دارد که دما را به صورت تدریجی در زمان های مختلف به دستگاه وارد کند یا دما را به صورت ثابت روی عددی خاص به دستگاه وارد کند و یا نمونه را تا دمای محیط سرد کند.

نمودار حاصل از این آنالیز همانگونه در شکل زیر نشان داده شده است، به این صورت می باشد که در محور عمودی آن تغییرات جرم نمونه به صورت درصدی یا برحسب میلی گرم قرار دارد و در محور افقی نیز تغییرات دمایی که از کوره اعمال شده قرار دارد. همچنین در مواقعی که حرارت را به صورت تدریجی کم و زیاد می شود، می توان تغییرات زمان را در محور افقی نمودار مشاهده کرد.

شکل 1: محورهای نمودار حاصل از آنالیز

نکته ای که باید به آن توجه داشت این است که در آنالیز توزین حرارتی لزوما جرم نمونه کاهشی نیست و حتی در برخی موارد خاص جرم نمونه ممکن است به دلیل اکسید شدن یا جذب افزایش نیز پیدا کند. به طور کلی می توان گفت در مواردی که جذب سطحی، جذب درونی، واکنش های جامد-گاز و اکسیداسیون جرم نمونه افزایش می یابد و در باقی حالت ها جرم نمونه کاهش پیدا می کند.

بررسی و تحلیل حالت های مختلف در نمودار ترموگرام

بسته به نوع نمونه ای که استفاده می شود، حالت های مختلفی در نمودار حاصل از آنالیز TGA رخ می دهد که در اینجا به برخی از مهمترین آن ها پرداخته می شود :

• در این حالت همانطور که در شکل دیده می شود نرخ تغییر جرم نمونه با تغییرات حرارت ناچیز است و نمونه در وضعیت تقریبا پایداری قرار گرفته است و هیچ نشانه ای از وجود ناخالصی، مواد فرار، رطوبت و… مشاهده نمی شود. بنابراین آنالیز TGA در این نوع از مواد اطلاعات خاصی به مخاطب نمی دهد.

• در این حالت با توجه به اینکه از همان ابتدای روشن شدن کوره و اعمال حرارت به نمونه کاهش جرم مشاهده می شود که این امر نشان دهنده وجود رطوبت در ماده اولیه است.

• در این حالت همانگونه که مشاهده می شود نمونه هنگام حرارت دادن حالت پایداری دارد و این حالت تا رسیدن به نقطه ای مشخص حفظ می شود سپس در آن دمای مشخص که به دمای تخریب معروف است، جرم ماده کاهشی سریع پیدا می کند (متلاشی شدن نمونه) و سپس دوباره در حالتی پایدار قرار می گیرد. ضمنا این منحنی برای بررسی استوکیومتری یا مطالعه سینتیک واکنش به کار می رود و تجزیه نمونه را در یک مرحله، با حد واسط‌های نسبتا پایدار نشان می‌دهد.

• در این حالت کاهش جرم نمونه در چند مرحله اتفاق می افتد و این منحنی برای بررسی استوکیومتری یا مطالعه سینتیک واکنش به کار می رود و تجزیه نمونه را در چند مرحله، با حد واسط‌های نسبتا پایدار نشان می‌دهد.

• در این حالت نیز همانند حالت قبلی جرم نمونه ممکن است در چند مرحله کاهش یابد و این مرحله برای تجزیه چند مرحله‌ای است اما در این جا حد واسط های پایدار تشکیل نمی‌شوند و اطلاعاتی اندکی از هر مرحله بدست می آید.

در اینجا ذکر این نکته لازم می باشد برای تشکیل حد واسط های پایدار  و به دست آمدن اطلاعات مورد نظر می توان سرعت حرارت دهی را بالا برد تا منحنی شبیه منحنی حالت چهارم به دست آید. ضمنا برای این که رفتار نمونه در حالت های ۴ و ۵ به مانند منحنی ۳ شوند، که بتوان دمای تخریب را محاسبه کرد، باید آنقدر سرعت حرارت دهی را بالا برد تا به منحنی حالت سوم رسید.

• همانگونه که گفته شد همیشه در آنالیز TGA جرم کاهش پیدا نمی کند و در برخی مواقع ممکن است افزایش نیز پیدا کند که در این حالت به احتمال زیاد در اثر افزایش دمای کوره واکنش اکسیداسیون میان نمونه و اتمسفر کنار نمونه رخ داده است.

• در این حالت نیز به مانند بالا با بالا رفتن دمای کوره میان نمونه و اتمسفر داخل دستگاه واکنش اکسیداسیون رخ داده با این تفاوت که در اینجا ابتدا با حرارت دهی ابتدا اکسیداسیون رخ می دهد و سپس با ادامه حرارت دهی نمونه در دماهای بالاتر تجزیه می شود.

حالت های بالا مواردی هستند که در اکثر نمودارهای TGA مشاهده می گردند و با کنار هم قرار دادن آنها می توان بسیاری از نمودارها را تحلیل کرد.