Termograwimetria (TGA) to technika należąca do grupy metod analizy termicznej, w której określa się zmiany masy próbki w określonym reżimie temperaturowym. Ubytki lub przyrosty masy zależą w największym stopniu od stechiometrii reakcji zachodzących podczas analiz. Technika pozwala na oznaczenie poszczególnych składników danej substancji, określenie wielkości przemiany termicznej oraz temperatury w jakiej ta przemiana zachodzi. Termograwimetria umożliwia także badanie przemian fazowych i reakcji (np. utlenianie).
Zasada działania i pomiaru TGA
Urządzenie wykorzystywane w termograwimetrii do pomiaru masy to szczególnie wrażliwa waga elektroniczna, zwana termowagą. Składa się ona z wagi analitycznej (mikrowagi), do której szali przymocowany jest stolik oraz, z pieca (Rys. 1). Działa ona jako waga uchylna lub samozerująca się. Zmiana ciężaru w wagach uchylnych wywoływana jest przez rejestrowanie zmiany wychylenia ramienia. W przypadku wag samozerujących się do belki przykładana jest siła równoważąca zmianę ciężaru, dzięki czemu znajduje się ona zawsze w położeniu zerowym. Rejestrowana jest wówczas siła potrzebna do zrównoważenia wagi.
Próbkę umieszcza się na stoliku w piecu, który następnie ogrzewany jest do zadanej temperatury. Temperatura mierzona jest za pomocą termopary, która znajduje się bezpośrednio przy naczynku pomiarowym. Badania termograwimetryczne prowadzi się w atmosferze utleniającej (powietrze czy O2) lub obojętnej (N2, Ar), rzadko w warunkach próżniowych. Wagi muszą być zabezpieczone przed agresywnymi chemicznie gazami wydzielającymi się w czasie ogrzewania próbki, a także wprowadzanymi do przestrzeni reakcyjnej gazami powodującymi korozję. Podczas pomiarów TGA badana substancja ulega przemianom fizycznym i chemicznym. Oprócz składników atmosfery gazowej w reakcji brać udział może także materiał naczynka pomiarowego. Na zmiany jakim ulegnie substancja wpływa więc szereg parametrów pomiarowych, takich jak wielkość próbki, materiał i geometria naczynka, szybkość ogrzewania, rodzaj atmosfery gazowej, czy zewnętrzne pole magnetyczne. Poznanie i zrozumienie wpływu poszczególnych czynników na uzyskiwane kształty sygnałów TGA pozwala na poprawną interpretację wyników.
Rys. 1 Analiza TG. Schematyczna budowa termowagi [1].
Zastosowanie termograwimetrii
Analiza termograwimetryczna dostarcza podstawowe informacje o materiałach należących do niemal każdej klasy, co pozwala na stosowanie tejże metody w niespełna każdej dziedzinie nauki i techniki. Wykorzystywana jest szczególnie do:
- badań stabilności termicznej,
- badań kinetycznych procesów chemicznych syntezy, rozpadu, czy wymiany,
- charakterystyki materiałów,
- badania korozji (badanie procesów utleniania),
- analizy składu.
Jednoczesna analiza termograwimetryczna (STA) – TGA/DSC
Jednoczesna analiza termograwimetryczna jest techniką która łączy metodę analizy termograwimetrycznej (TGA) z różnicową kalorymetrią skaningową (DSC). Urządzenia STA są zatem pewnego rodzaju wielofunkcyjnymi narzędziami analizy termicznej, pozwalającymi na badanie zmian wybranych właściwości fizycznych substancji pod wpływem zmieniającej się temperatury. Równoczesne wykorzystanie obydwu metod daje ogromną przewagę urządzeniom STA nad pozostałymi analizatorami, pozwalając na generowanie jeszcze większej ilości podstawowych danych charakteryzujących badany materiał w trakcie jednego pomiaru.
Instrumenty stosowane są m.in. do:
- badania reakcji chemicznych i przemian fazowych zachodzących podczas ogrzewania substancji,
- wyznaczania parametrów termodynamicznych i kinetycznych reakcji,
- wyznaczania i porównywania trwałości termicznej poszczególnych materiałów.
Podczas pomiaru rejestrowana jest zmiana masy badanej próbki zgodnie z techniką TGA, a także przepływ ciepła zgodnie z techniką DSC, przy kontrolowanym wzroście lub spadku temperatury. Panujące warunki podczas badania są identyczne dla sygnałów TGA i DSC, tj. atmosfera, ciśnienie, szybkość ogrzewania, to samo naczynie pomiarowe, efekty radiacyjne itp. W przypadku jednoczesnej analizy termograwimetrycznej obydwa sygnały rejestrowane są jednocześnie na tym samym aparacie, zapewniając przy tym większą efektywność oraz uzyskanie kompleksowej charakterystyki cieplnej badanej próbki. Niemożliwe jest zachowanie tych samych warunków wykonując pomiary przy pomocy dwóch innych urządzeń, co daje niepodważalną przewagę instrumentom STA.
Obydwa sygnały TGA i DSC uzyskane w wyniku pomiaru przedstawiane są na jednym wykresie jako krzywa termograwimetryczna oraz krzywa DSC. Mierzone parametry z wykorzystaniem poszczególnych technik rejestrowane są w funkcji temperatury (Rys. 2).
Rys. 2 Krzywa TGA (fioletowa linia) i DSC (pomarańczowa linia) węglanu sodu (Na2CO3) [2].
Analiza TG – Podsumowanie
Analiza termograwimetryczna należy do metod analizy termicznej i jej podstawą jest zmiana masy próbki rejestrowana w funkcji temperatury lub czasu. Temperatura wzrasta lub obniża się z kontrolowaną szybkością. Pomiaru dokonuje się przy pomocy bardzo czułej wagi elektronicznej – termowagi. Metoda stosowana jest przeważnie do określania składu badanej próbki oraz stabilności termicznej. Ze względu na szeroki wachlarz możliwości instrumenty TGA znajdują zastosowanie niemal w każdej dziedzinie nauki i techniki.
Termograwimetria (TGA) często łączona jest ze skaningową kalorymetrią różnicową (DSC). W naszej ofercie znajdziecie Państwo instrumenty posiadające systemy wykonujące obydwa rodzaje analiz termicznych – jednoczesne analizatory termograwimetryczne NEXTA STA, pozwalające na pomiar zmian masy próbki oraz przepływu ciepła jednocześnie. Ta seria aparatów umożliwia dokonanie oceny wybranych procesów zachodzących w danej substancji oraz zapewnia uzyskanie kompleksowej charakterystyki badanego materiału należącego do niemal każdej klasy.
Rys. 3. Jednoczesny analizator termograwimetryczny NEXTA STA.
Źródła:
[2] http://elektroenergetyka.pl/upload/file/2018/08/Szpulak.pdf
