Термогравиметрический анализ

Термогравиметрический анализ или теплогравиметрический анализ (ТГА) — аналитический метод, разработанный более ста лет назад и сохранявший свои основные принципы на протяжении всей своей истории. По своей сути ТГА определяет потерю массы образца в зависимости от времени, температуры и, если применимо, окружающей атмосферы.

Параметры, которые обычно измеряются через TGA:

% влаги

% летучих

% Пепел

% Потеряно при зажигании

Благодаря усовершенствованным приборам и методам измерений точность измерений ТГА значительно возросла. В результате этого ТГА укрепил свой статус в качестве важного аналитического инструмента с годами.

В современных условиях этот количественный метод позволяет критически понять реакции отверждения и процессы разложения, происходящие в ходе термообработки материала. Универсальность ТГА позволяет изучать поведение образцов как в инертных, так и в окислительных условиях в зависимости от используемого оборудования и методологии. Это позволяет ТГА получать зависящие от температуры данные по широкому спектру физических явлений, включая фазовые переходы, адсорбцию и десорбцию, а также химические процессы, такие как химисорбция, термическое разложение и реакции твердых газов, такие как окисление и восстановление.

Поэтому ТГА является важнейшим методом понимания свойств материала и реакций при различных термических условиях.

Обзор оборудования

Свяжитесь с нами!

Принцип термогравиметрического анализа

Поскольку принцип измерения (автоматизированного) ТГА основан на изменении массы в зависимости от температуры, основные компоненты прибора термогравиметрического анализа остаются неизменными, независимо от того, какое устройство используется:

Для термической обработки образцов требуется печная камера, размеры и форма которой могут варьироваться в зависимости от конструкции анализатора.
Встроенный баланс определяет вес образца через заданные временные интервалы.

Если измерения должны проводиться либо в инертных условиях, либо в окислительной атмосфере, то требуется внешняя подача газа. Представляется также комбинация различных газовых сред, при которой в этом случае устройство устанавливается таким образом, чтобы оно переключалось между различными газовыми средами в зависимости от настроек измерений.

Подключенный компьютер с соответствующим программным обеспечением, который предназначен для регистрации и оценки собранных точек измерения.

Основная концепция термогравиметрического анализа заключается в измерении изменения веса материала при его нагревании, охлаждении или удержании при постоянной температуре. Однако поведение образца не зависит исключительно от используемой температурной программы. Атмосфера в камере для проб также оказывает решающее влияние на механизм изменения массы. В инертной среде, использующей, например, газы, такие как азот или аргон, материалы теряют вес при повышении температуры. Это может быть связано с испарением, сублимацией, диссоциацией, десорбцией или разложением. Наличие непрерывного потока газа в камере для печи предотвращает возможное возникновение реакций, которые могут повлиять на результат. Таким образом, образцы могут быть проверены на содержание влаги, летучие компоненты или термическую стабильность. Когда термогравиметрический анализ (ТГА) проводится в окислительных условиях (атмосфера кислорода или воздух), это в большинстве случаев приводит к более выраженной потере массы по сравнению с инертными условиями в результате процессов сгорания или окисления. Структура разложения материала позволяет понять его окислительную стабильность, наблюдая за скоростью потери массы в ходе реакции. Кроме того, остатки, полученные в результате окислительных реакций, могут дать информацию о неорганических компонентах образца, например, о содержании золы. В целом ТГА в окислительных условиях позволяет получить информацию о характеристиках материала, стабильности и безопасности в окислительных средах.

Функциональный принцип теплогравиметрического анализа с использованием ЭЛТРА ТЕРМОСТЕП можно свести к следующему:

Определяется начальный вес образца.
Образец нагревают до температурного диапазона от 40 °С до 1000 °С.
На основе типа образца, температуры и атмосферы образец подвергается сушке, окислению или потере летучих компонентов, что приводит к уменьшению веса (в редких случаях возможно увеличение веса вследствие окисления).
Когда масса образца остается постоянной в выбранных условиях, его вновь взвешивают, и фиксируют изменение массы.

MASRO vs. MICRO TGA

Большинство приборов термогравиметрического анализа, имеющихся на рынке, подразделяются на одну из двух категорий: микро- или макро-ТГА. Основное различие между этими категориями заключается в размере образца, который они предназначены для анализа. МикроТГА, оснащенные меньшей печной камерой, предназначены для анализа образцов в диапазоне от микрограмм до нескольких миллиграммов и обычно измеряют одновременно только одну пробу на параметры ТГА. С другой стороны, макро-ТГА, как и ЭЛЬТРА ТЕРМОСТЕП, предназначены для обработки нескольких больших образцов, до нескольких граммов каждый.

При большой печной камере многократные измерения могут проводиться Macro TGA одновременно, а большие количества проб снижают неопределенность измерений из-за потенциальной неоднородности пробы. По этой причине Macro TGA больше подходят для промышленного применения или когда объемные свойства материала представляют интерес, в то время как Micro TGA часто используются в исследовательских приложениях, где исследуемые материалы доступны только в небольших количествах.

Обзор оборудования

Свяжитесь с нами!

Методы связи (используемые в основном в сочетании с МИКРО ТГА): Для расширенного обнаружения и анализа летучих веществ термогравиметрический анализ (ТГА) может сочетаться с такими методами газового анализа, как инфракрасная спектроскопия преобразований Фурье (ФТИР), масс-спектрометрия (МС) или газовая хроматография (ГК). Эти методы позволяют проводить анализ газов, эволюционирующих в процессе прогона ТГА, в реальном масштабе времени.

ТГА-ФТИР: Выявляет функциональные группы в эволюционирующих газах, давая представление о составе летучих веществ.
ТГА-МС: Предлагает информацию о соотношении массы и заряда, помогая идентифицировать молекулярную структуру эволюционировавших газов.

ТГА-ГК: Разделяет эволюционировавшие газы, позволяя проводить детальный композиционный анализ.

Термограмма

Термограмма представляет собой графическое изображение полученных данных измерения TGA, которое показывает зависимость между изменением массы образца и температурой или временем в контролируемых условиях. Термограммы уникальны для каждого соединения и дают детальное представление о термическом поведении материалов, позволяя наблюдать реакции разложения, окисления, обезвоживания или другие реакции изменения массы при термическом воздействии.

Ось Y (вертикальная ось) на диаграмме представляет вес образца, который может быть отображен в виде либо процентной доли оставшейся первоначальной массы, либо абсолютной массы в граммах/миллиграммах. С течением времени анализа изменение веса образца в результате термической обработки строится вдоль этой оси. Поскольку принцип измерения термогравиметрического анализа основан на изменении веса в зависимости от температуры и времени, ось Х (горизонтальная ось) таким образом представляет либо температуру, либо время.

Толкование термограммы:

Термограмма, как правило, состоит из нескольких последовательных участков склонов и плато, которые позволяют анализировать тепловое поведение соответствующих материалов.

сильная>Потеря веса (увеличение) Этапы: По мере нагрева образца в нем могут происходить различные процессы, такие как обезвоживание (потеря воды), разложение (распад материала) или окисление (реакция с кислородом). Эти процессы приводят к уменьшению массы образца, которая отображается на термограмме в виде ступеней или откосов. Следует отметить, что в определенных случаях, в частности с металлическими соединениями, окисление приводит к повышению степени окисления и увеличению веса образца.

Инертная атмосфера, например азот или аргон, часто используется, когда целью является предотвращение окисления или сгорания образца. Эта среда подходит для обнаружения продуктов термического разложения образца без помех реакций с кислородом:

Первая потеря массы сильная>при температурах около ок. 100°С, скорее всего, обусловлена испарением воды или остаточных растворителей внутри образца или на его поверхности.
при температурах от сильная до 600°С, а иногда даже выше, происходит сильное>термическое разложение и выделение летучих веществ.

Окислительная атмосфера (воздух или чистый кислород) выбирается тогда, когда интерес представляет изучение окислительного распада или продуктов сгорания.

В присутствии кислорода или воздушных материалов может подвергаться сильному {окислению, благодаря чему это уже может происходить при температурах, начиная со 100°С. сильное>Выше приблизительно 300°С органические вещества испытывают окисление, приводящее к быстрому уменьшению массы, процесс, известный как сильное>горение. Это характеризуется выбросами СО2 и различных газов в результате окисления органических элементов.

Важно отметить, что точные температуры и наблюдаемые явления зависят от конкретного типа анализируемого материала и от экспериментальных условий.

сильные>Области стабильности: Плоские области или плато на термограмме указывают температуры, при которых масса образца остается постоянной, что говорит о тепловой стабильности в этом диапазоне температур.

сильные>Температуры начала и конца: Температуры, при которых начинается этап похудения, и концы имеют решающее значение для определения температур термоустойчивости и разложения материала.

По сравнению с неавтоматизированными измерениями с муфельной печью Преимущества термогравиметрического анализа (ТГА)

Существуют различные способы проведения термогравиметрического анализа в зависимости от технических требований. Один из возможных вариантов — взвешивание каждого образца вручную, установка его в сушильный шкаф или муфельный шкаф, а затем повторное взвешивание. Если необходимо определить несколько параметров (например, влажность и зола в муке), то требуется несколько печей с разными температурами (105 °C и 550 °C), а также дополнительное взвешивание. Этот метод достаточно трудоемкий.

Намного более удобная и экономичная альтернатива предлагается приборами термогравиметрического анализа, такими как TGA THERMOSTEP компании ELTRA.

Эти анализаторы сочетают печь и баланс, что позволяет автоматически измерять различные термогравиметрические параметры. Пользователь заполняет различные пробы в керамические тигли и помещает их в карусель внутри анализатора, где они взвешиваются интегрированным балансом и автоматически анализируются. Согласно выбранной программе пробы высушиваются или превращаются в пепел до тех пор, пока они не получат желаемый постоянный вес. Ручной взвешивания не требуется. После окончания термогравиметрического анализа соответствующие данные могут быть непосредственно переданы в систему управления лабораторной информацией (LIMS).

Пример автоматизированного измерения ТГА

Можно также запустить комплексную программу анализа с термогравиметрическим анализатором. Пример: уголь высушивается при температуре 105 °C (параметр: влага), затем нагревается под азотной атмосферой до 950 °C (параметр: летучие компоненты); после охлаждения до 750 °C сжигается при этой температуре под кислородной атмосферой (параметр: зола).

Обзор оборудования

Свяжитесь с нами!

Приложения и отрасли термогравиметрического анализа

Благодаря своей способности точно измерять изменение массы материала в зависимости от температуры или времени, термогравиметрический анализ (ТГА) стал незаменимым в широком спектре отраслей промышленности, используясь для определения характеристик материала, контроля качества, а также исследований и разработок новых продуктов.

Энергетический сектор

Разработка угля, биомассы, топлива: контроль качества угля, биомассы и других видов топлива путем анализа влаги, содержания летучих веществ, горючих остатков и золы.

Промышленность полимеров и пластмасс, герметики

Изучение термостабильности и деградационного поведения полимеров. Определение композиционных свойств: содержание наполнителей, полимеров, а также влаги.

Пищевая промышленность

Определение содержания влаги и золы и изучение тепловых свойств в широком ассортименте пищевых продуктов.

Наука об окружающей среде

Анализ органических и неорганических компонентов и оценка теплового поведения и потенциального содержания энергии (в качестве потенциального источника альтернативной энергии) в различных видах отходов.

Материаловедение

Оценка термоустойчивости и поведения керамики, стекла и передовых материалов при разложении.

Строительная промышленность

Анализ цемента и бетона: термостабильность и поведение при разложении, определение содержания влаги. Анализ потерь СО2 от карбонатов в бетоне.

Битум: изучение теплового поведения и измерение содержания летучих веществ.

Дерево

Древесина: анализ структуры термического разложения и определение содержания влаги, летучих веществ и золы.

Термогравиметрический Анализ (ТГА)- Часто задаваемые вопросы

Что такое термогравиметрический анализ?

Термогравиметрический анализ или термогравиметрический анализ (ТГА) представляет собой аналитический метод, позволяющий измерять изменение массы образца в зависимости от времени и температуры в конкретной атмосфере (инертной или окислительной). Этот метод весьма чувствителен, что делает его важным инструментом для понимания широкого спектра свойств и поведения материала в ходе термической обработки. Он позволяет получить ценную информацию о реакциях отверждения и процессах разложения.

Параметры, обычно измеряемые с помощью ТГА, включают процентное соотношение влаги, летучих веществ, содержания золы и потерь при воспламенении (ПВ). Эти измерения имеют решающее значение для определения состава материала, его термической стабильности и поведения при нагревании, которые могут включать физические явления (такие, как фазовые переходы, адсорбция и десорбция) и химические процессы (включая такие реакции, как окисление и восстановление).

Как работает термогравиметрический анализ?

Приборы термогравиметрического анализа функционируют на основе принципа измерения и регистрации изменений веса материала, подвергающегося термической обработке в контролируемой среде. Основные компоненты анализатора ТГА включают печную камеру для нагрева образца, встроенный баланс для измерения веса, внешний источник газа для создания инертных или окислительных условий и компьютер с программным обеспечением для регистрации и оценки данных. Вес образца измеряется по мере его нагрева, охлаждения или поддержания постоянной температуры в инертных или окислительных условиях для получения информации о его термической стабильности, влагосодержании, летучих компонентах и многом другом.

Почему важен термогравиметрический анализ?

Термогравиметрический анализ (ТГА) имеет большое значение в различных областях научно-промышленного применения, таких, как энергетика, пищевая промышленность, строительная промышленность, окружающая среда и материаловедение. Он позволяет получать важные данные о термостабильности и составе материалов. Понимая, как материал разлагается, реагирует или меняется при нагревании, исследователи и инженеры могут делать выводы о его способности к использованию в определенных областях, его долговечности и о том, как он может вести себя в различных тепловых и атмосферных условиях. В области исследований и разработок это имеет очень важное значение для проектирования материалов с индивидуальными свойствами, с тем чтобы обеспечить безопасность, эффективность и долговечность этих готовящихся изделий.

Кроме того, ТГА является важным инструментом контроля качества. Обеспечивая соответствие материалов установленным термическим свойствам и составу, производители могут поддерживать качество продукции, соблюдать нормативные стандарты и избегать возможных сбоев в ходе производства.

В чем преимущества Термогравиметрического анализа по сравнению с муфельной печью?

Термогравиметрический анализ (ТГА) дает ряд существенных преимуществ по сравнению с муфельной печью. Это включает автоматизированный процесс измерений, что снижает необходимость ручного вмешательства, например взвешивания образцов до и после нагрева. В отличие от муфельной печи прибор термогравиметрического анализа позволяет осуществлять постоянный мониторинг изменения массы в процессе нагрева, обеспечивая получение данных измерений в реальном масштабе времени. С помощью заранее установленных средств измерений для конкретных материалов возможен автоматизированный анализ образцов при последовательном конкретном температурном уровне.

Кроме того, ТГА может работать в различных контролируемых атмосферах (инертных или окислительных). Контроль над атмосферой имеет решающее значение для изучения процессов в условиях инертности, а также окислительного или восстановительного поведения материалов. Программное обеспечение ТГА может автоматически рассчитывать и представлять результаты, такие как содержание влаги, летучих веществ, содержание золы и потери при воспламенении (ПОВ), что облегчает оператору процесс анализа и следующий расчет измеренных данных.