Termogravimetrik Analiz Metodu
Termoqravimetrik analiz (TGA), nəzarət edilən atmosferdə nümunə kütləsindəki dəyişikliyi temperatur və/və ya zaman funksiyası kimi ölçən bir material xarakteristikası metodudur. Bu texnika kimya, material mühəndisliyi, əczaçılıq, polimerlər və enerji sahələrində geniş istifadə olunur, çünki istilik sabitliyi, tərkibi, su/həlledici tərkibi, parçalanma və reaksiya kinetikası ilə bağlı vacib məlumatlar verə bilər. TGA əyrisi və onun törəmələri (DTG) vasitəsilə tədqiqatçılar materialların qızdırıldıqda, soyudulduqda və ya müəyyən bir temperaturda saxlanıldıqda davranışlarını başa düşə bilərlər.
TGA-nın əsas prinsipləri
TGA-nın iş prinsipi sadədir: nümunə cihaza inteqrasiya olunmuş mikrotarazlıq cihazı istifadə edərək davamlı olaraq çəkilir, sonra müəyyən bir temperatur proqramına qədər qızdırılır. Temperatur artdıqca nümunə suyun buxarlanması, həlledicinin buxarlanması, oksidləşmə, susuzlaşdırma, depolimerləşmə və ya qeyri-üzvi qalıqların əmələ gəlməsi kimi müxtəlif proseslərə məruz qala bilər. Bütün bu proseslər kütlənin azalmasına (məsələn, uçucu molekulların sərbəst buraxılması səbəbindən) və ya bəzi hallarda kütlənin artmasına (məsələn, oksigenin bağlanması səbəbindən kütlənin artmasına səbəb olan oksidləşmə səbəbindən) səbəb ola bilər.
Bu ölçmələr nəzarətli atmosfer şəraitində, məsələn, inert şərait üçün azot (N₂) və ya arqon (Ar), oksidləşdirici şərait üçün isə oksigen (O₂) və ya hava şəraitində aparılır. Atmosferin seçimi müvafiq mexanizm üçün çox vacibdir: azotda sabit olan polimerlər oksidləşmə səbəbindən havada sürətlə parçalana bilər.
TGA cihazının əsas komponentləri
TGA alətləri ümumiyyətlə bir neçə vacib hissədən ibarətdir:
1. Soba (qızdırıcı soba): yüksək temperaturlara (cihazdan asılı olaraq, adətən 800–1000°C) qədər proqramlaşdırılmış isitmə təmin edir.
2. Mikrobalans (mikrobalans): kütlə dəyişikliklərini yüksək həssaslıqla (mikroqrama qədər) ölçür.
3. Nümunə qabı/tiyə: adətən alüminium oksidi, platin və ya keramikadan hazırlanmış nümunə qabı — reaktivliyə və işləmə temperaturuna görə seçilir.
4. Qaz idarəetmə sistemi: qaz növünü, axın sürətini və atmosfer keçidini (məsələn, N₂-dan O₂-ya) tənzimləyir.
5. Temperatur tənzimləyicisi və sensoru: qızdırma sürətini idarə edir və temperatur dəqiqliyini təmin edir.
6. Məlumat toplama proqramı: kütlə və temperatur/zaman əyrilərini qeyd edir və tez-tez DTG analizi, mərhələli kütlə itkisi hesablamaları və kinetika qiymətləndirməsini təmin edir.
Məlumat növü və nəticələnən əyri
TGA-nın əsas nəticəsi TG əyrisidir (kütlə və ya kütlə faizi və temperatur/zaman). Bu əyridən bir neçə vacib parametr oxumaq olar:
– Başlanğıc temperaturu: əhəmiyyətli kütlə itkisinin baş verdiyi ilkin temperatur (deqradasiyanın və ya buxarlanmanın erkən əlaməti).
– Addım-addım kütlə itkisi: hər mərhələdə kütlə itkisinin miqdarı.
– Qalıq/kömür: son temperaturda qalıq kütlə (qeyri-üzvi tərkib, doldurucu, kül və ya kömür əmələ gəlməsi ilə əlaqəli).
– Sabitlik temperaturu: kütlə nisbətən sabit olduqda temperatur diapazonu.
Bundan əlavə, TG əyrisinin birinci törəməsi kütlənin temperatura nisbətən dəyişmə sürəti olan DTG (Törəmə Termoqravimetriya) əyrisini verir. DTG zirvəsi üst-üstə düşən mərhələləri ayırd etməyə kömək edir və maksimum parçalanma sürətinin baş verdiyi temperaturun müəyyən edilməsini asanlaşdırır.
Bəzi sistemlərdə, TGA, istilik zamanı ayrılan qazları müəyyən etmək üçün FTIR (TGA-FTIR) və ya MS (TGA-MS) kimi digər üsullarla birləşdirilir və beləliklə, mexanizmin təfsirini daha etibarlı edir.
Test üsulları: ümumi addımlar
Praktikada TGA təhlili aşağıdakı mərhələlərdən keçir:
1. Nümunənin hazırlanması: zəruri hallarda nümunə qurudulur, homojenliyə qədər üyüdülür və çəkilir (ümumiyyətlə, materialdan və cihazdan asılı olaraq 5–20 mq).
2. Ocağın seçimi: məsələn, əksər nümunələr üçün alüminium oksidi; xüsusi ehtiyaclar üçün platin; nümunə ilə ocağın arasında reaksiyanın qarşısını almaq.
3. Atmosfer şəraiti: oksidləşmə olmadan piroliz/deqradasiyanı öyrənmək üçün inert; yanma və ya oksidləşdirici stabilliyi öyrənmək üçün hava/oksigen.
4. Temperatur proqramı: xətti isitmə (məsələn, 10°C/dəq), izotermik saxlama ilə pilləli isitmə və ya isitmə-soyutma dövrü ola bilər.
5. Ölçmə və məlumatların qeydi: proqram təminatı TG/DTG əyrisini qeyd edir.
6. Nəticələrin təhlili: kütlə itkisi mərhələsini təyin edin, komponentlərin faizini hesablayın və baş verən prosesləri şərh edin.
Qızdırma sürətinin seçimi vacibdir: yüksək sürətlər analizi sürətləndirir, lakin başlanğıcı daha yüksək temperatura keçirə və faza ayrılmasını pisləşdirə bilər; aşağı sürətlər daha yaxşı qətnamə verir, lakin daha uzun çəkir.
TGA-nın əsas tətbiqləri
1. Su və uçucu maddələrin tərkibini təyin edin
Bir çox material sərbəst su, bağlı su və ya qalıq həlledici ehtiva edir. Aşağı temperatur diapazonunda (məsələn, 30-150°C) kütlə itkisi çox vaxt suyun/həlledicinin buxarlanması ilə əlaqələndirilir. Bu, dərman preparatları (köməkçi maddələrdə suyun miqdarı), qida məhsulları və polimerlər üçün aktualdır.
2. İstilik stabilliyinin və deqradasiyasının ölçülməsi
TGA parçalanmanın başlanğıc temperaturunu, parçalanma mərhələsini və qalığı göstərə bilər. Məsələn, PVC kimi polimerlərdə ilkin mərhələ dehidroxlorlaşma, ardınca zəncir parçalanması və kömür əmələ gəlməsi ola bilər.
3. Qarışıq materialın tərkibini təyin edin
Kompozit və ya qarışıq materiallar tez-tez tədricən kütlə itkisinə məruz qalır: üzvi komponentlər parçalanır, qeyri-üzvi doldurucu isə qalıq kimi qalır. Beləliklə, TGA müəyyən bir komponentin kütlə payını (məsələn, karbon qara, lif, mineral və ya kül tərkibi) qiymətləndirə bilər.
4. Oksidləşmə və yanma tədqiqatları
Oksidləşən atmosferdə karbon və ya polimer materiallar yana bilər və kül qalıqları yarana bilər. TGA yanma temperaturunu, oksidləşmə sürətini və kül tərkibinin qiymətləndirilməsini təyin etməyə kömək edir.
5. İstilik reaksiyasının kinetikası
Tədqiqatçılar TGA-nı birdən çox istilik sürətində yerinə yetirməklə Kissinger, Ozawa-Flynn-Wall və ya Fridman (izokonversiya metodları) kimi yanaşmalardan istifadə edərək aktivləşmə enerjisi kimi kinetik parametrləri qiymətləndirə bilərlər. Bu, müəyyən bir temperaturda materialın ömrünü modelləşdirmək üçün vacibdir.
Nəticələrə və şərhə təsir edən amillər
TGA nəticələri yalnız materialla deyil, həm də sınaq şərtləri ilə müəyyən edilir. Bəzi əsas amillərə aşağıdakılar daxildir:
– Nümunə kütləsi: çox böyük bir nümunə temperatur qradiyentinə və qaz diffuziyasının yavaşlamasına səbəb ola bilər ki, bu da əyrinin yerdəyişməsi və ya genişlənməsi kimi görünsün.
– Hissəcik ölçüsü və homogenlik: böyük hissəciklər uçucu qazların çıxmasına mane ola bilər.
– Odluq tipi: qapalı/örtüklü odluqlar açıq odluqlarla müqayisədə qazı saxlaya və reaksiya yolunu dəyişdirə bilər.
– Qaz axını sürəti və qaz növü: uçucu məhsulların nümunə ətrafında qalmaması üçün kifayət qədər qaz axını tələb olunur.
– Qızdırma sürəti: mərhələ qətnaməsinə və xarakterik temperaturlara (başlanğıc, pik DTG) təsir göstərir.
– Temperatur və balans kalibrasiyası: kalibrləmə səhvləri səhv şərhlərə səbəb ola bilər.
Buna görə də, yaxşı TGA hesabatı adətən test detallarını ehtiva edir: nümunə kütləsi, qızdırma sürəti, atmosfer və axın sürəti, tava növü və temperatur diapazonu.
Üstünlüklər və məhdudiyyətlər
TGA-nın üstünlüklərinə kiçik nümunə tələbləri, nisbətən sürətli analiz, kütlə dəyişikliklərinə yüksək həssaslıq və çoxmərhələli prosesləri öyrənmək imkanı daxildir. Lakin, onun məhdudiyyəti ondan ibarətdir ki, TGA itirilmiş birləşmənin növünü birbaşa müəyyən etmir - o, yalnız kütlənin dəyişdiyini göstərir. "Nəyin buxarlandığını və ya əmələ gəldiyini" müəyyən etmək üçün tez-tez FTIR/MS və ya digər tərkib təhlilləri kimi müşayiət olunan üsullar tələb olunur.
Bundan əlavə, bəzi istilik prosesləri əhəmiyyətli kütlə dəyişikliklərinə (məsələn, polimerlərdə şüşə keçidlərinə) səbəb olmur, buna görə də onlar yalnız TGA ilə analiz üçün uyğun deyil və DSC və ya DMA istifadə etmək daha məqsədəuyğundur.
Bağlanır
Termoqravimetrik analiz materialşünaslıq və mühəndislikdə vacib bir vasitədir və zamanla və temperaturda material kütləsindəki dəyişiklikləri dəqiq şəkildə xəritələşdirməyə qadirdir. TG və DTG əyriləri vasitəsilə TGA uçucu tərkib, istilik stabilliyi, parçalanma mərhələləri, qeyri-üzvi qalıqlar və istilik reaksiya kinetikası haqqında dərin məlumat verir. Müvafiq atmosfer şəraiti, istilik sürəti və nümunə hazırlanması ilə TGA məhsulun inkişafı, keyfiyyətə nəzarət və materialın parçalanma mexanizmlərini anlamaq üçün möhkəm bir təməl təmin edə bilər. TGA-nı FTIR və ya MS kimi qaz identifikasiyası üsulları ilə birləşdirmək interpretasiyanı daha da artırır və TGA-nı müasir tədqiqatlarda ən çox yönlü istilik xarakteristikası metodlarından birinə çevirir.
