Термогравиметрийн шинжилгээний арга
Термогравиметрийн шинжилгээ (TGA) нь хяналттай агаар мандал дахь температур болон/эсвэл цаг хугацааны функцээр дээжийн массын өөрчлөлтийг хэмждэг материалын шинж чанарыг тодорхойлох арга юм. Энэ аргыг хими, материалын инженерчлэл, эм зүй, полимер, эрчим хүчний салбарт өргөн ашигладаг, учир нь энэ нь дулааны тогтвортой байдал, найрлага, ус/уусгагчийн агууламж, задрал, урвалын кинетикийн талаар чухал мэдээлэл өгч чаддаг. TGA муруй болон түүний уламжлалууд (DTG)-ээр дамжуулан судлаачид тодорхой температурт халаах, хөргөх эсвэл хадгалах үед материалын зан төлөвийг ойлгож чадна.
TGA-ийн үндсэн зарчим
TGA-ийн ажиллах зарчим нь энгийн: дээжийг багажид суурилуулсан бичил тэнцвэржүүлэгч ашиглан тасралтгүй жигнэж, дараа нь тодорхой температурын хөтөлбөрт халаана. Температур нэмэгдэхийн хэрээр дээж нь усны ууршилт, уусгагчийн ууршилт, исэлдэлт, шингэн алдалт, деполимержилт, эсвэл органик бус үлдэгдэл үүсэх зэрэг янз бүрийн процесст орж болно. Эдгээр бүх процессууд нь массын бууралт (жишээлбэл, дэгдэмхий молекулууд ялгарснаас болж) эсвэл зарим тохиолдолд массын өсөлт (жишээлбэл, хүчилтөрөгчтэй холбогдсноос болж массын өсөлтийг нэмэгдүүлдэг исэлдэлтээс болж) үүсгэх боломжтой.
Эдгээр хэмжилтийг инертийн нөхцөлд азот (N₂) эсвэл аргон (Ar), исэлдэлтийн нөхцөлд хүчилтөрөгч (O₂) эсвэл агаар гэх мэт хяналттай агаар мандлын дор гүйцэтгэдэг. Агаар мандлын сонголт нь холбогдох механизмын хувьд чухал ач холбогдолтой: азотод тогтвортой полимерүүд исэлдэлтийн улмаас агаарт хурдан задарч болно.
TGA хэрэгслийн үндсэн бүрэлдэхүүн хэсгүүд
TGA хэрэгслүүд нь ерөнхийдөө хэд хэдэн чухал хэсгээс бүрдэнэ.
1. Зуух (халаалтын зуух): өндөр температурт (ихэвчлэн багажнаас хамаарч 800–1000°C) программчилсан халаалт үүсгэдэг.
2. Бичил тэнцвэр (бичил тэнцвэр): өндөр мэдрэмжтэйгээр (микрограмм хүртэл) массын өөрчлөлтийг хэмждэг.
3. Дээжийн сав/тигль: ихэвчлэн хөнгөн цагаан, цагаан алт эсвэл керамикаар хийгдсэн дээжийн сав бөгөөд урвалд орох чадвар болон ажиллах температурын дагуу сонгогддог.
4. Хийн хяналтын систем: хийн төрөл, урсгалын хурд болон агаар мандлын шилжилтийг (жишээ нь N₂-аас O₂ руу) зохицуулдаг.
5. Температурын хянагч ба мэдрэгч: халаалтын хурдыг хянаж, температурын нарийвчлалыг баталгаажуулдаг.
6. Өгөгдөл цуглуулах програм хангамж: масс ба температур/цаг хугацааны муруйг бүртгэдэг бөгөөд ихэвчлэн DTG шинжилгээ, массын алдагдлын алхам алхмаар тооцоолол, кинетикийн тооцооллыг өгдөг.
Өгөгдлийн төрөл ба үр дүнгийн муруй
TGA-ийн гол үр дүн нь TG муруй (масс эсвэл массын хувь ба температур/цаг хугацаа) юм. Энэ муруйгаас хэд хэдэн чухал параметрийг уншиж болно:
– Эхлэх температур: их хэмжээний массын алдагдал үүсдэг анхны температур (доройтол эсвэл ууршилтын эрт үеийн шинж тэмдэг).
– Алхам алхмаар массын алдагдал: үе шат бүрт массын алдагдлын хэмжээ.
– Үлдэгдэл/нүүрс: эцсийн температурт үлдсэн масс (органик бус агууламж, дүүргэгч, үнс эсвэл нүүрс үүсэхтэй холбоотой).
– Тогтвортой байдлын температур: масс харьцангуй тогтмол байх үеийн температурын хүрээ.
Үүнээс гадна, TG муруйн эхний уламжлал нь массын температуртай харьцуулахад өөрчлөгдөх хурд болох DTG (Үрэвслийн Термогравиметр) муруйг үүсгэдэг. DTG оргил нь давхцаж буй үе шатуудыг ялгахад тусалдаг бөгөөд хамгийн их задралын хурд явагдах температурыг тодорхойлоход тусалдаг.
Зарим системд TGA-г FTIR (TGA-FTIR) эсвэл MS (TGA-MS) зэрэг бусад аргуудтай хослуулан халаах явцад ялгарч буй хийг тодорхойлдог бөгөөд ингэснээр механизмын тайлбарыг илүү найдвартай болгодог.
Туршилтын аргууд: ерөнхий алхамууд
Практикт TGA шинжилгээг дараах үе шатуудаар явуулдаг.
1. Дээж бэлтгэх: шаардлагатай бол дээжийг хатааж, нэгэн төрлийн болтол нь нунтаглаж, жигнэнэ (ерөнхийдөө материал болон багаж хэрэгслээс хамаарч 5–20 мг).
2. Тигель сонгох: жишээ нь ихэнх дээжинд хөнгөн цагаан исэл; тусгай хэрэгцээнд цагаан алт; дээж болон тигелийн хоорондох урвалаас зайлсхийх.
3. Агаар мандлын орчин: исэлдэлтгүйгээр пиролиз/задаргааг судлахын тулд идэвхгүй; шаталт эсвэл исэлдэлтийн тогтвортой байдлыг судлахын тулд агаар/хүчилтөрөгч.
4. Температурын хөтөлбөр: шугаман халаалт (жишээ нь 10°C/мин), изотермаль баригчтай шаталсан халаалт, эсвэл халаалт-хөргөлтийн цикл байж болно.
5. Хэмжилт ба өгөгдөл бүртгэх: програм хангамж нь TG/DTG муруйг бүртгэдэг.
6. Үр дүнгийн шинжилгээ: массын алдагдлын үе шатыг тодорхойлж, бүрэлдэхүүн хэсгүүдийн хувийг тооцоолж, болж буй үйл явцыг тайлбарлах.
Халаалтын хурдыг сонгох нь чухал: өндөр хурд нь шинжилгээг хурдасгадаг боловч эхлэх хугацааг илүү өндөр температурт шилжүүлж, фазын ялгаралтыг улам дордуулж болзошгүй; бага хурд нь илүү сайн нарийвчлал өгдөг боловч удаан хугацаа шаарддаг.
TGA-ийн үндсэн хэрэглээ
1. Ус болон дэгдэмхий бодисын агууламжийг тодорхойлох
Олон материал нь чөлөөт ус, холбогдсон ус эсвэл үлдэгдэл уусгагч агуулдаг. Бага температурын хүрээнд (жишээлбэл, 30-150°C) массын алдагдал нь ихэвчлэн ус/уусгагчийн ууршилттай холбоотой байдаг. Энэ нь эмийн бүтээгдэхүүн (нэмэлт бодисын усны агууламж), хүнсний бүтээгдэхүүн болон полимерүүдэд хамааралтай.
2. Дулааны тогтвортой байдал ба доройтлыг хэмжих
TGA нь задралын эхлэх температур, задралын үе шат, үлдэгдлийг зааж болно. Жишээлбэл, PVC зэрэг полимерүүдэд эхний үе шат нь дегидрохлоржуулалт, дараа нь гинжин хэлхээний хуваагдал болон нүүрстөрөгч үүсэх явдал байж болно.
3. Холимог материалын найрлагыг тодорхойлох
Нийлмэл эсвэл холимог материалууд нь ихэвчлэн аажмаар массын алдагдалд ордог: органик бүрэлдэхүүн хэсгүүд задардаг бол органик бус дүүргэгч нь үлдэгдэл хэвээр үлддэг. Тиймээс TGA нь тодорхой бүрэлдэхүүн хэсгийн массын хувийг (жишээлбэл, нүүрстөрөгчийн хар, эслэг, эрдэс бодис эсвэл үнсний агууламж) тооцоолж чаддаг.
4. Исэлдэлт ба шаталтын судалгаа
Исэлдүүлэгч агаар мандалд нүүрстөрөгч эсвэл полимер материалууд шатаж, үнс үлддэг. TGA нь шаталтын температур, исэлдэлтийн хурд, үнсний агууламжийн тооцоог тодорхойлоход тусалдаг.
5. Дулааны урвалын кинетик
Судлаачид олон халаалтын хурдаар TGA хийснээр Киссинжер, Озава-Флинн-Уолл, эсвэл Фридман (изоконверсийн аргууд) зэрэг аргуудыг ашиглан идэвхжүүлэлтийн энерги зэрэг кинетик параметрүүдийг тооцоолж чадна. Энэ нь өгөгдсөн температурт материалын ашиглалтын хугацааг загварчлахад зайлшгүй шаардлагатай.
Үр дүн болон тайлбарт нөлөөлөх хүчин зүйлс
TGA-ийн үр дүнг зөвхөн материалаар төдийгүй туршилтын нөхцөлөөр тодорхойлно. Зарим гол хүчин зүйлүүд нь:
– Дээжийн масс: хэт том дээж нь температурын градиент болон хийн тархалтыг удаашруулж, улмаар муруй шилжиж эсвэл тэлж байгаа мэт харагдана.
– Бөөмийн хэмжээ ба нэгэн төрлийн байдал: том бөөмс нь дэгдэмхий хийн гадагшлахыг саатуулж чаддаг.
– Тигелийн төрөл: хаалттай/бүрхүүлтэй тигель нь задгай тигельтэй харьцуулахад хийг хадгалж, урвалын замыг өөрчилж чаддаг.
– Хийн урсгалын хурд ба хийн төрөл: Дээжийн эргэн тойронд дэгдэмхий бүтээгдэхүүн хуримтлагдахгүйн тулд хангалттай хийн урсгал шаардлагатай.
– Халаалтын хурд: үе шатны нягтрал болон онцлог температурт (эхлэл, оргил DTG) нөлөөлдөг.
– Температур ба тэнцвэрийн тохируулга: тохируулгын алдаа нь буруу тайлбар хийхэд хүргэж болзошгүй.
Тиймээс сайн TGA тайланд ихэвчлэн туршилтын дэлгэрэнгүй мэдээлэл багтдаг: дээжийн масс, халаалтын хурд, агаар мандал ба урсгалын хурд, хайруулын тавагны төрөл, температурын хүрээ.
Давуу талууд ба хязгаарлалтууд
TGA-ийн давуу талууд нь жижиг түүврийн шаардлага, харьцангуй хурдан дүн шинжилгээ, массын өөрчлөлтөд өндөр мэдрэмжтэй байдал, олон үе шаттай процессыг судлах чадвар зэрэг орно. Гэсэн хэдий ч түүний хязгаарлалт нь TGA нь алдагдсан нэгдлийн төрлийг шууд тодорхойлдоггүй бөгөөд зөвхөн массын өөрчлөлтийг заадагт оршино. "Юу ууршдаг эсвэл үүсдэгийг" тодорхойлохын тулд FTIR/MS эсвэл бусад найрлагын шинжилгээ зэрэг дагалдах аргуудыг ихэвчлэн шаарддаг.
Үүнээс гадна, зарим дулааны процессууд нь массын мэдэгдэхүйц өөрчлөлтийг үүсгэдэггүй (жишээлбэл, полимер дэх шилэн шилжилт) тул зөвхөн TGA-аар шинжлэхэд тохиромжгүй бөгөөд DSC эсвэл DMA ашиглахад илүү тохиромжтой.
Хаах
Термогравиметрийн шинжилгээ нь материалын шинжлэх ухаан, инженерчлэлийн чухал хэрэгсэл бөгөөд цаг хугацаа, температурын явцад материалын массын өөрчлөлтийг нарийвчлан зураглах чадвартай. TG болон DTG муруйн тусламжтайгаар TGA нь дэгдэмхий агууламж, дулааны тогтвортой байдал, задралын үе шат, органик бус үлдэгдэл, дулааны урвалын кинетикийн талаар гүнзгий мэдээлэл өгдөг. Тохиромжтой агаар мандлын нөхцөл, халаалтын хурд, дээж бэлтгэх чадвартай бол TGA нь бүтээгдэхүүн боловсруулах, чанарын хяналт хийх, материалын задралын механизмыг ойлгоход бат бөх суурийг тавьж чадна. TGA-г FTIR эсвэл MS зэрэг хийн таних аргуудтай хослуулах нь тайлбарыг улам сайжруулж, TGA-г орчин үеийн судалгаанд хамгийн олон талын дулааны шинж чанарыг тодорхойлох аргуудын нэг болгож байна.
