Термогравиметрический анализ или термический гравиметрический анализ (ТГА) — это метод термического анализа, при котором масса образца измеряется с течением времени при изменении температуры. Это измерение дает 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).
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 прецизионных 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) для осуществления термической реакции. 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.
ТГА можно использовать для определения характеристик материалов посредством анализа характерных закономерностей разложения. Это особенно полезный метод для изучения полимерных материалов, включая термопласты, реактопласты, 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 разрушаться.
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.
Окисление и горение
Простейшей характеристикой материалов является остаток, остающийся после реакции. Например, реакцию горения можно проверить, загрузив образец 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 при ТГА.
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.
Разные потери веса одного и того же образца в разных точках также можно использовать 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 из стороны в сторону различно.
Термогравиметрическая кинетика
Термогравиметрическую кинетику можно исследовать для понимания механизмов реакций термического (каталитического или некаталитического) разложения, происходящих в процессах пиролиза и горения различных материалов.
Энергии активации процесса разложения можно рассчитать с помощью метода Киссинджера.
Хотя постоянная скорость нагревания 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.
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.
ДТА можно использовать для изучения любого процесса, в котором поглощается или выделяется тепло.
