Termogravimetrik analiz veya termal gravimetrik analiz (TGA), bir asırdan uzun bir süre önce geliştirilmiş ve tarihi boyunca temel ilkelerini korumuş bir analitik yöntemdir. Özünde TGA; bir numunenin kütle kaybını zamanın, sıcaklığın ve —uygulanabilir durumlarda— çevredeki atmosferin bir fonksiyonu olarak belirler.
TGA ile tipik olarak ölçülen parametreler şunlardır:
% Nem
% Uçucu
% Kül
% Ateşleme kaybı
Gelişmiş cihazlar ve ölçüm teknikleri sayesinde TGA ölçümlerinin hassasiyeti önemli ölçüde artmıştır. Bunun bir sonucu olarak, TGA yıllar içinde önemli bir analitik araç olma konumunu sağlamlaştırmıştır.
Günümüz uygulamalarında bu nicel teknik, malzemenin ısıl işlemi sırasında meydana gelen kürlenme reaksiyonları ve bozunma süreçleri hakkında kritik bilgiler sunmaktadır. TGA'nın çok yönlülüğü, kullanılan ekipman ve yönteme bağlı olarak numune davranışının hem inert hem de oksidatif koşullar altında incelenmesine olanak tanır. Bu sayede TGA; faz geçişleri, adsorpsiyon ve desorpsiyon gibi fiziksel olguların yanı sıra kemisorpsiyon, termal bozunma ve oksidasyon ile redüksiyon gibi katı-gaz reaksiyonlarını da kapsayan geniş bir yelpazede sıcaklığa bağlı veriler sağlayabilir.
Sonuç olarak TGA, değişen ısıl koşullar altındaki malzeme özelliklerini ve reaksiyonları anlamak için hayati bir yöntemdir.
Termogravimetrik Analiz İlkesi
(Otomatik) TGA'nın ölçüm prensibi sıcaklığa bağlı kütle değişimine dayandığından, hangi cihaz kullanılırsa kullanılsın, bir termogravimetrik analiz cihazının temel bileşenleri aynı kalır:
- Numunelerin ısıl işlemi, analizörün tasarımına bağlı olarak boyut ve şekil bakımından değişiklik gösterebilen bir fırın haznesi gerektirir.
- Dahili terazi, numunenin ağırlığını önceden belirlenmiş zaman aralıklarında algılar.
- Ölçümlerin inert koşullar altında veya oksitleyici bir atmosferde gerçekleştirilmesi durumunda harici bir gaz kaynağı gereklidir. Farklı gaz ortamlarının kombinasyonu da mümkündür; bu durumda cihaz, ölçüm ayarlarına bağlı olarak farklı gaz ortamları arasında geçiş yapacak şekilde yapılandırılır.
- Toplanan ölçüm noktalarını kaydetmek ve değerlendirmek üzere tasarlanmış, ilgili yazılıma sahip bağlantılı bir bilgisayar.
Termogravimetrik analizin temel mantığı, bir malzemenin ısıtılması, soğutulması veya sabit bir sıcaklıkta tutulması sırasında ağırlığının nasıl değiştiğini ölçmektir. Ancak numunenin davranışı, yalnızca uygulanan sıcaklık programına bağlı değildir; numune haznesindeki atmosfer de kütle değişim mekanizması üzerinde belirleyici bir etkiye sahiptir. Örneğin azot veya argon gibi gazların kullanıldığı inert bir ortamda, sıcaklık arttıkça malzemeler ağırlık kaybeder. Bu süreç; buharlaşma, süblimleşme, ayrışma, desorpsiyon veya bozunmayı içerebilir. Fırın haznesindeki sürekli gaz akışı, sonucu etkileyebilecek olası ters tepkimelerin meydana gelmesini önler. Bu sayede numuneler; nem içeriği, uçucu bileşenler veya ısıl kararlılık açısından test edilebilir. Termogravimetrik analiz (TGA) oksidatif koşullar altında (oksijen atmosferi veya hava) gerçekleştirildiğinde, yanma veya oksidasyon süreçleri nedeniyle inert koşullara kıyasla genellikle daha belirgin bir kütle kaybı gözlemlenir. Malzemenin bozunma biçimleri, tepkime sırasındaki kütle kaybı hızı izlenerek malzemenin oksidatif kararlılığı hakkında ipuçları sunar. Ayrıca, oksidatif tepkimeler sonucunda elde edilen kalıntı, örneğin kül içeriği gibi numunenin inorganik bileşenleri hakkında bilgi sağlayabilir. Genel olarak, oksidatif koşullar altında yapılan TGA; malzemenin oksidatif ortamlardaki performansı, kararlılığı ve güvenliği hakkında bilgiler sunar.
ELTRA THERMOSTEP kullanılarak gerçekleştirilen termogravimetrik analizin çalışma prensibi şu şekilde özetlenebilir:
- Numunenin başlangıç ağırlığı belirlenir.
- Numune, 40 °C ila 1.000 °C sıcaklık aralığına kadar ısıtılır.
- Numune türüne, sıcaklığa ve atmosfere bağlı olarak numune; kuruma, oksidasyon veya uçucu bileşenlerin kaybı süreçlerinden geçer ve bu durum ağırlık azalmasına yol açar (nadir durumlarda, oksidasyon nedeniyle ağırlık artışı da görülebilir).
- Seçilen koşullar altında numunenin kütlesi sabit kaldığında, numune yeniden tartılır ve kütle değişimi kayıt altına alınır.
Makro ve Mikro TGA
Piyasada bulunan termogravimetrik analiz cihazlarının çoğu iki kategoriden birine girer: Mikro veya Makro TGA'lar. Bu kategoriler arasındaki temel fark, analiz edilmek üzere tasarlanan numune boyutudur. Daha küçük bir fırın haznesine sahip olan Mikro TGA'lar, mikrogram ila birkaç miligram aralığındaki numunelerin analizi için tasarlanmıştır ve genellikle TGA parametreleri açısından aynı anda yalnızca tek bir numuneyi ölçer. Öte yandan, ELTRA THERMOSTEP gibi Makro TGA'lar, her biri birkaç grama kadar çıkabilen daha büyük ve çok sayıda numuneyi işlemek üzere tasarlanmıştır.
Geniş bir fırın haznesine sahip olan Macro TGA cihazları ile eş zamanlı olarak birden fazla ölçüm yapılabilir; ayrıca daha büyük numune miktarları, numunenin olası homojen olmamasından kaynaklanan ölçüm belirsizliğini azaltır. Bu nedenle Macro TGA cihazları endüstriyel uygulamalar veya bir malzemenin yığın (bulk) özelliklerinin incelendiği durumlar için daha uygunken, Micro TGA cihazları genellikle yalnızca küçük miktarlarda bulunabilen malzemelerle yürütülen araştırma uygulamalarında kullanılır.
Birleşik Teknikler (esas olarak MİKRO TGA'lar ile birlikte kullanılır): Uçucu maddelerin daha iyi tespit edilmesi ve analiz edilmesi amacıyla, termogravimetrik analiz (TGA); Fourier Dönüşümlü Kızılötesi Spektroskopisi (FTIR), Kütle Spektrometrisi (MS) veya Gaz Kromatografisi (GC) gibi gaz analiz teknikleriyle birleştirilebilir. Bu teknikler, TGA işlemi sırasında açığa çıkan gazların gerçek zamanlı analizine olanak tanır.
TGA-FTIR: Açığa çıkan gazlardaki fonksiyonel grupları tanımlayarak uçucu maddelerin bileşimi hakkında bilgi sağlar.
TGA-MS: Kütle/yük oranı bilgisi sunarak açığa çıkan gazların moleküler yapısının belirlenmesine yardımcı olur.
TGA-GC: Açığa çıkan gazları birbirinden ayırarak ayrıntılı bileşim analizine olanak tanır.
Termogram
Termogram, kontrollü koşullar altında bir numunenin kütle değişimi ile sıcaklık veya zaman arasındaki ilişkiyi gösteren ve elde edilen TGA ölçüm verilerine dayanan grafiksel bir temsildir. Her bir bileşik için kendine özgü olan termogramlar, malzemelerin termal davranışlarına dair ayrıntılı bilgiler sunarak; termal etkiye maruz kalma sırasında bozunma, oksidasyon, dehidrasyon veya kütle değişimine yol açan diğer reaksiyonların gözlemlenmesine olanak tanır.
Diyagramdaki Y ekseni (dikey eksen), orijinal kütleden geriye kalan yüzde veya gram/miligram cinsinden mutlak kütle olarak gösterilebilen numune ağırlığını temsil eder. Analiz süresi ilerledikçe, ısıl işlemden kaynaklanan numune ağırlığındaki değişim bu eksen üzerinde grafiğe dökülür. Termogravimetrik analizin ölçüm ilkesi sıcaklık ve zamanın bir fonksiyonu olarak ağırlık değişimine dayandığından, X ekseni (yatay eksen) sıcaklığı veya zamanı temsil eder.
Bir Termogramın Yorumlanması:
Termogram, genel olarak, ilgili malzemelerin ısıl davranışının analiz edilmesine olanak tanıyan, birbirini izleyen çeşitli eğim ve plato bölümlerinden oluşur.
Kütle Kaybı (veya Artışı) Basamakları: Numune ısıtıldığında; dehidrasyon (su kaybı), bozunma (malzemenin parçalanması) veya oksidasyon (oksijenle tepkime) gibi çeşitli süreçlerden geçebilir. Bu süreçler numune kütlesinde bir azalmaya yol açar ve bu durum termogramda basamaklar veya eğimler şeklinde görülür. Özellikle metalik bileşikler söz konusu olduğunda, bazı durumlarda oksidasyonun daha yüksek bir yükseltgenme basamağına ve numune ağırlığında bir artışa neden olduğu unutulmamalıdır.
Numunenin oksidasyonunu veya yanmasını önlemek istendiğinde, genellikle azot veya argon gibi inert bir atmosfer kullanılır. Bu ortam, oksijenle gerçekleşen reaksiyonların müdahalesi olmaksızın numunenin termal bozunma ürünlerinin tespit edilmesi için uygundur:
- yaklaşık 100°C civarındaki sıcaklıklarda görülen ilk kütle kaybı, büyük olasılıkla numune içindeki veya yüzeyindeki suyun ya da kalıntı çözücülerin buharlaşmasından kaynaklanır.
- 200°C ila 600°C ve bazen daha yüksek sıcaklık aralıklarında, termal bozunma ve uçucu maddelerin açığa çıkması gerçekleşir.
Oksidatif bozunma veya yanma ürünlerinin incelenmesi hedeflendiğinde, oksidatif bir atmosfer (hava veya saf oksijen) tercih edilir.
- Oksijen veya hava varlığında malzemeler oksidasyona uğrayabilir; bu süreç 100°C'den itibaren gerçekleşmeye başlayabilir. Yaklaşık 300°C'nin üzerinde organik maddeler oksidasyona uğrar ve kütlede hızlı bir azalmaya yol açan bu süreç yanma olarak adlandırılır. Bu süreç, organik bileşenlerin oksidasyonu sonucunda CO2 ve çeşitli gazların açığa çıkmasıyla karakterize edilir.
Gözlemlenen kesin sıcaklıkların ve olguların, analiz edilen malzemenin türüne ve deneysel koşullara bağlı olduğunu belirtmek önemlidir.
Kararlılık Bölgeleri: Termogram üzerindeki düz bölgeler veya platolar, numune kütlesinin sabit kaldığı sıcaklıkları gösterir ve bu sıcaklık aralığında termal kararlılığa işaret eder.
Başlangıç ve Bitiş Sıcaklıkları: Bir kütle kaybı aşamasının başladığı ve sona erdiği sıcaklıklar, malzemenin ısıl kararlılığını ve bozunma sıcaklıklarını belirlemek açısından büyük önem taşır.
Mufl fırınla yapılan otomatik olmayan ölçümlerle karşılaştırıldığında Termogravimetrik Analizin (TGA) Avantajları
Teknik gereksinimlere bağlı olarak termogravimetrik analizleri gerçekleştirmenin çeşitli yolları vardır. Bir yöntem, her bir numuneyi manuel olarak tartmak, bir kurutma fırınına veya kül fırınına yerleştirmek ve ardından tekrar tartmaktır. Birden fazla parametrenin (örneğin undaki nem ve kül miktarı) belirlenmesi gerekiyorsa, ek tartım işlemlerinin yanı sıra farklı sıcaklıklara (105 °C ve 550 °C) sahip çeşitli fırınlara ihtiyaç duyulur. Bu yöntem oldukça zaman alıcıdır.
ELTRA'nın TGA THERMOSTEP cihazı gibi termogravimetrik analiz cihazları, çok daha pratik ve zaman tasarrufu sağlayan bir alternatif sunmaktadır.
Bu analiz cihazları fırın ve teraziyi bir araya getirerek çeşitli termogravimetrik parametrelerin otomatik olarak ölçülmesine olanak tanır. Kullanıcı, çeşitli numuneleri seramik potalara doldurur ve bunları cihaz içindeki döner tablaya yerleştirir; burada numuneler entegre terazi tarafından tartılır ve otomatik olarak analiz edilir. Seçilen programa göre numuneler, istenen sabit ağırlığa ulaşana kadar kurutulur veya kül haline getirilir. Manuel tartım işlemi gerekmez. Termogravimetrik analiz tamamlandıktan sonra, ilgili veriler doğrudan bir laboratuvar bilgi yönetim sistemine (LIMS) aktarılabilir.
Otomatik TGA ölçümü örneği
Termogravimetrik analizör ile karmaşık bir analiz programı yürütmek de mümkündür. Bir örnek vermek gerekirse: kömür önce 105 °C'de kurutulur (parametre: nem), ardından azot atmosferinde 950 °C'ye kadar ısıtılır (parametre: uçucu bileşenler); 750 °C'ye soğutulduktan sonra ise bu sıcaklıkta oksijen atmosferinde yakılır (parametre: kül). Ölçüm sonuçlarının belgelenmesi de dahil olmak üzere tüm analiz döngüsü tam otomatik olarak gerçekleşir.
Termogravimetrik Analiz Uygulamaları ve Endüstrileri
Bir malzemenin kütle değişimini sıcaklık veya zamana bağlı olarak hassas bir şekilde ölçebilme yeteneği sayesinde termogravimetrik analiz (TGA); malzeme karakterizasyonu, kalite kontrol ve yeni ürünlerin araştırılıp geliştirilmesi süreçlerinde kullanılarak çok çeşitli endüstrilerde vazgeçilmez bir hale gelmiştir. Bu doğrultuda TGA; gıda, toprak, ahşap, plastik ve kömür gibi organik malzemelerden çimento veya seramik gibi inorganik malzemelere kadar uzanan çok çeşitli numuneler üzerinde uygulanmaktadır.
Enerji sektörü
Kömür, Biyokütle ve Yakıt Geliştirme: Nem, uçucu madde içeriği, yanabilir kalıntı ve kül içeriği analizleri yoluyla kömür, biyokütle ve diğer yakıtların kalite kontrolü; termal davranışın ve potansiyel enerji içeriğinin değerlendirilmesi.
Polimer ve plastik endüstrisi, sızdırmazlık malzemeleri
Polimerlerin ısıl kararlılığının ve bozunma davranışının incelenmesi. Bileşim özelliklerinin (dolgu maddesi içeriği, polimer içeriği ve nem) belirlenmesi.
Gıda endüstrisi
Çok çeşitli gıda ürünlerinde nem ve kül içeriğinin belirlenmesi ve termal özelliklerin incelenmesi.
Çevre bilimi
Çeşitli atık türlerindeki organik ve inorganik bileşenlerin analiz edilmesi; termal davranışlarının ve (alternatif bir enerji kaynağı potansiyeli taşıyan) enerji içeriklerinin değerlendirilmesi.
Malzeme bilimi
Seramik, cam ve ileri malzemelerin ısıl kararlılığının ve bozunma davranışının değerlendirilmesi.
İnşaat sektörü
Çimento ve beton analizi: termal kararlılık ve bozunma davranışı, nem içeriğinin belirlenmesi. Betondaki karbonatlardan kaynaklanan CO2 kaybının analizi.
Bitüm: termal davranışın incelenmesi ve uçucu madde içeriğinin ölçülmesi.
Ahşap
Odun: termal bozunma modellerinin analiz edilmesi ve nem, uçucu madde ve kül içeriğinin belirlenmesi.
Thermogravimetric Analysis (TGA)- SSS
Termogravimetrik Analiz nedir?
Termogravimetrik analiz veya termal gravimetrik analiz (TGA), belirli bir atmosferde (inert veya oksitleyici) bir numunenin kütle değişimini zaman ve sıcaklığa bağlı olarak ölçen analitik bir yöntemdir. Yüksek hassasiyete sahip olan bu yöntem, ısıl işlem sırasında malzemenin çeşitli özelliklerini ve davranışlarını anlamak için önemli bir araçtır; ayrıca kürlenme reaksiyonları ve bozunma süreçleri hakkında değerli bilgiler sunar.
TGA ile tipik olarak ölçülen parametreler arasında nem yüzdesi, uçucu maddeler, kül içeriği ve ateşleme kaybı (LOI) yer alır. Bu ölçümler; malzemenin bileşimini, ısıl kararlılığını ve ısıtma sırasındaki davranışını (faz geçişleri, adsorpsiyon ve desorpsiyon gibi fiziksel olayları ve oksidasyon ile redüksiyon gibi kimyasal süreçleri kapsayabilen) belirlemek açısından büyük önem taşır.
Termogravimetrik Analiz nasıl çalışır?
Termogravimetrik analiz cihazları, kontrollü bir ortamda ısıl işleme tabi tutulan bir malzemenin ağırlık değişimlerini ölçme ve kaydetme prensibiyle çalışır. Bir TGA analiz cihazının temel bileşenleri arasında; numuneyi ısıtmak için bir fırın haznesi, ağırlık ölçümü için dahili bir terazi, inert veya oksidatif koşullar oluşturmak üzere harici bir gaz kaynağı ve verileri kaydedip değerlendiren yazılıma sahip bir bilgisayar yer alır. Numunenin termal kararlılığı, nem içeriği, uçucu bileşenleri ve daha fazlası hakkında bilgi edinmek amacıyla; inert veya oksidatif koşullar altında ısıtılırken, soğutulurken veya sabit bir sıcaklıkta tutulurken ağırlığı ölçülür.
Termogravimetrik Analiz neden önemlidir?
Termogravimetrik analiz (TGA); enerji sektörü, gıda endüstrisi, inşaat sektörü ile çevre ve malzeme bilimi gibi çeşitli bilimsel ve endüstriyel uygulama alanlarında büyük bir öneme sahiptir. Bu yöntem, malzemelerin termal kararlılığı ve bileşimi hakkında önemli veriler sağlar. Bir malzemenin ısıtıldığında nasıl bozunduğu, tepkimeye girdiği veya hal değiştirdiği anlaşılarak; araştırmacılar ve mühendisler, malzemenin belirli alanlarda kullanılabilirliği, dayanıklılığı ve değişen termal ve atmosferik koşullar altında nasıl davranabileceği hakkında çıkarımlarda bulunabilirler. Araştırma ve geliştirme alanında bu süreç, geliştirilecek ürünlerin güvenliğini, verimliliğini ve dayanıklılığını sağlamak amacıyla özel niteliklere sahip malzemeler tasarlamak açısından büyük önem taşır.
Ayrıca TGA, kalite kontrol süreçleri için de vazgeçilmez bir araçtır. Üreticiler, malzemelerin belirlenen termal özelliklere ve bileşime uygunluğunu sağlayarak ürün kalitesini koruyabilir, yasal standartlara uyum sağlayabilir ve üretim sırasında ortaya çıkabilecek olası hataların önüne geçebilirler.
Mufel fırınına kıyasla Termogravimetrik Analizin avantajları nelerdir?
Termogravimetrik analiz (TGA), muf fırınlarına kıyasla çeşitli önemli avantajlar sunar. Bunlar arasında, ısıtma öncesi ve sonrasında numunelerin tartılması gibi manuel müdahale gereksinimini azaltan otomatik ölçüm süreci yer alır. Muf fırınlarının aksine, termogravimetrik analiz cihazı ısıtma işlemi sırasında kütle değişiminin sürekli izlenmesine olanak tanıyarak gerçek zamanlı ölçüm verileri sağlar. Malzemeye özgü önceden ayarlanmış ölçüm uygulamaları sayesinde, numunelerin belirli sıcaklık kademelerinde sırayla otomatik olarak analiz edilmesi mümkündür.
Ayrıca TGA, çeşitli kontrollü atmosfer koşullarında (inert veya oksitleyici) çalışabilir. Atmosfer kontrolü; inert koşullardaki süreçlerin incelenmesinin yanı sıra, malzemelerin oksitleyici veya indirgeyici davranışlarının araştırılması açısından da büyük önem taşır. TGA yazılımı; nem içeriği, uçucu maddeler, kül içeriği ve kızdırma kaybı (LOI) gibi sonuçları otomatik olarak hesaplayıp sunabilir; bu da analiz sürecini ve ölçülen verilerin daha sonraki hesaplama aşamalarını operatör için kolaylaştırır.
Karbon / Azot / Protein Analizörü CN Analizörleri
karbon / hidrojen / kükürt CHS Analizörü
oksijen / azot / hidrojen ONH Analizörü
THERMOSTEP TGA TGA Analizörü
Eltra Ürünler & İletişim
