آنالیز حرارتی (Thermal Analysis) عبارت است از آنالیز کردن تغییرات به وجود آمده در خاصیت یک نمونه که ناشی از تحمیل تغییر دمایی بر آن است. یا به عبارت ساده تر آنالیز حرارتی (TA) مجموعه ای از تکنیک هاست که خواصی از مواد را که با دما تغییر می کنند مورد بررسی قرار می دهد. از معروفترین این روش ها می توان به TGA ، DTA و DSC اشاره نمود.
این آنالیز می تواند خواصی مانند آنتالپی، ظرفیت گرمایی، تغییرات جرمی و ضریب انبساط گرمایی را تعیین نماید. در شیمی حالت جامد از TA برای مطالعه بر روی واکنش های فاز جامد، واکنش های تخریبی حرارتی، تغییر فاز و دیاگرام فازی استفاده می شود.
انواع روش های آنالیز حرارتی
در جدول زیر خواص ، روش ها و مخفف آنها آورده شده اند. در جدول می توان مشاهده نمود برای اندازه گیری و آنالیز هر کدام از خواص (پارامترها) از چه روشی می توان استفاده نمود. به عنوان مثال برای خاصیت اختلاف دمایی از روش آنالیز اختلاف دمایی (Differential Thermal Analysis) استفاده می شود که به صورت مخفف DT و DTA خوانده می شود.
| خاصیت | تکنیک | روش | مخفف |
| دما | ترمومتری (Thermometry) | آنالیز منحنی گرمایش یا سرمایش | – |
| اختلاف دما | ترمومتری دیفرانسیلی (Differential Thermometry) | آنالیز حرارتی افتراقی یا تفاضلی | DTA و DT |
| اختلاف جریان گرما | Differential Scanning Calorimetry | DSC | |
| جرم | ترموگراویمتری (Thermogravimetry) | آنالیز ترموگراویمتریک | TG و TGA |
| ابعاد یا خواص مکانیکی | ترمومکانومتری | آنالیز حرارتی مکانیکی | TM و TMA |
| فشار | ترمومانومتری | آنالیز ترمومانومتریک | |
| خواص الکتریکی | ترموالکترومتری | آنالیز حرارتی الکتریکی | TE و TEA |
| خواص مغناطیسی | ترمومگنتومتری | آنالیز ترمومگنتیک | |
| خواص نوری | ترموپتومتری | ترموپتومتریک انالیز | TO و TOA |
روش های اشاره شده در جدول بالا تنها بخشی از روش های موجود هستند. این روش ها را روش های ابتدایی می نامند و بسیاری روش های دیگر بر پایه آنها توسعه داده شده اند. در ادامه به بررسی مهم ترین روش های آنالیز حرارتی مواد خواهیم پرداخت.
آنالیز حرارتی TGA
آنالیز حرارتی TG روشی است که در آن جرم یک ماده به عنوان تابعی از دما و یا زمان توسط یک برنامه کنترل شده دمایی در محیطی کنترل شده، مورد بررسی قرار می گیرد. به عبارت دیگر در این روش افزایش و یا کاهش جرم یک نمونه با تغییرات دمایی سنجیده می شود.
TGA شامل یک تابه (Pan) است که توسط ترازوی دقیق پشتیبانی می شود (تغییرات وزنی با یک ترازوی دقیق سنجیده می شود). تابه درون یک کوره قرار دارد و در طول آنالیز گرم و یا سرد می شود .جرم نمونه موجود در درون تابه در طول آزمایش اندازه گیری و ثبت می شود. برای کنترل محیط نیز از یک گاز خنثی و یا واکنشگر (که پس از عبور از روی نمونه از محیط خارج می شود) استفاده می شود. در این روش از جاذبه برای اندازه گیری دقیق و مکرر جرم استفاده می شود.
این آنالیز می تواند مقدار از دست دادن آب ، از دست دادن حلال ، از دست دادن پلاستی سایزر، دی کربوکسیلاسیون، پیرولیز، اکسیداسیون، تجزیه، درصد وزنی پرکننده، مقدار کاتالیزور فلزی باقیمانده بر روی نانو لوله های کربنی و درصد وزنی خاکستر، را تعیین نماید. همه این اطلاعات را می تواند در حین گرم کردن بدست آورد ، اما برخی اطلاعات نیز وجود دارند که در هنگام خنک کردن نمونه بدست می آیند.
نتایج حاصل از آنالیز حرارتی TGA به صورت یک نمودار دو بعدی است که محور Y وزن را برحسب میلی گرم و یا درصد نشان می دهد و محور X (افقی) نیز زمان (دقیقه) یا دما (درجه سانتی گراد) را نشان می دهد.
نمودار آنالیز TG چگونه است ؟
این نمودار از سمت چپ به راست است. نمودار نزولی نشان می دهد که کاهش جرم اتفاق افتاده است. در نمودار زیر 15.013 میلی گرم کلسیم کربنات طبق مشخصات زیر مورد بررسی قرار گرفته است:
برنامه دمایی: افزایش حرارت از 100 درجه سانتی گراد تا 900 درجه سانتی گراد با سرعت افزایش 10درجه در هر دقیقه
گاز مورد استفاده :نیتروزن اتمسفری با ریت 20 میلی لیتر در دقیقه
از نمودار TGA چه اطلاعاتی می توانیم بدست بیاوریم ؟
برای آنالیز نمودار ابتدا تمامی اطلاعاتی را که در مورد آن ماده می دانید لیست کنید و سپس به آنالیز بپردازید. به عنوان مثال در مورد کلسیم کربنات اطلاعات زیر را داریم:
- در اثر حرارت به CaO و CO2 تجزیه می شود.
- جاذب آب است
- تحریک کننده است و باید در حمل و نقل و استفاده آن دقت نمود.
- با توجه به اینکه می دانیم نمونه در دمای بالا دچار تجزیه حرارتی می شود، ابتدا بر اساس وزن اولیه نمونه و قوانین استوکیومتری می توان مقدار CaO و CO2 تولید شده را محاسبه نمود و با مقداری که دستگاه نشان می دهد مقایسه نمود. از این مقایسه می توان مقدار خلوص نمونه اولیه را فهمید.
- می توان دمایی را که در آن تبخیر شروع می شود اندازه گرفت. این دما قابل تکرار است و در استاندارد ASTM مورد استفاده قرار می گیرد.
بیشتر بخوانید: آنالیز XRF چیست
افزایش یا کاهش جرم در آنالیز حرارتی TGA نشانه چیست ؟
از دست دادن وزن:
- تجزیه شدن: شکسته شدن پیوندهای شیمیایی
- تبخیر: از دست دادن مواد فرار با افزایش حرارت
- کاهش
- دفع
افزایش وزن:
- اکسیداسیون: تعامل نمونه با یک عامل اکسید کننده
- جذب
آنالیز حرارتی افتراقی یا DTA
Differential Thermal Analysis که به اختصار DTA خوانده می شود رایجترین آنالیز حرارتی است که مورد استفاده قرار می گیرد. در این روش دمای نمونه مورد بررسی با یک نمونه مرجع خنثی تطبیق داده می شود. در این روش هر اختلاف دمایی بین نمونه و مرجع اندازه گیری شده و سپس نمودار آن بر حسب دما و یا زمان رسم می شود. تغییرات در نمونه که منجر به جذب و یا تولید گرما می شود نسبت به مرجع بی اثر قابل تشخیص است.
آنالیز حرارتی تفاضلی و یا افتراقی همچنین می تواند بین دو نمونه بی اثر که پاسخ مشابهی به عملیات حرارتی ندارند، انجام شود. از این رو آنالیز DTA را می توان برای مطالعه خواص حرارتی و تغییر فاز که در آنها آنتالپی تغییر نمیکند نیز به کار برد.
پیک هایی که بر روی نمودار DT نمایان می شوند تبادل گرما را نشان می دهند. اگر پیک نمودار به سمت پایین باشد فرآیند گرماگیر است و اگر پیک به سمت بالا باشد یعنی گرما زا بوده است.
مواد مرجع مورد استفاده در DTA کدام ها هستند؟
مرجع ایده آل ماده ای است که جرم حرارتی (thermal mass) برابری با نمونه داشته باشد و هیچ اتفاق حرارتی در محدوده دمایی مورد نظر نداشته باشد. عموما در آنالیز حرارتی تفاضلی از آلومینا ، منیزیم اکسید و یا SiC استفاده می کنند.
آنالیز TGA و DTA
در بسیاری از موارد این دو آنالیز باهم انجام می شوند و از مقایسه آنها می توان نکات خوبی را در مواردی که تغییر وزن وجود دارد، یافت.
نمودار زیر مربوط به آنالیز Al4(Si4O10)(OH)8 است.
در محدوده دمایی بین 500 تا 700 درجه سانتی گراد یک تغییر جرم در نمودار TG اتفاق افتاده است که ناشی از دیهیدراسیون Al4(Si4O10)(OH)8 است. همین دیهیدراسیون در منحنی DTA توسط یک فرآیند گرماگیر نشان داده شده است.
در محدوده 950 تا 980 درجه سانتی گراد در داده ها تغییراتی به وجود آمده است، اما این تغییر بر روی TG تاثیری نداشته است. این اثر که بر روی DTA مشاهده می شود مربوط به کریستالیزلسیون مجدد کائولین دیهیدراته است. این کریستالیزاسیون مجدد گرمازاست.
روش های TG-DTA می توانند موارد زیر را مشخص نمایند:
- دمای ذوب
- دمای انتقال شیشه ای
- بلورینگی
- رطوبت/محتوای فرار
- پایداری حرارتی و اکسیداتیو
- خلوص
- دمای دگرگونی
آنالیز حرارتی DSC
Differential Scanning Calorimetry یک روش آنالیز حرارتی است که تغییرات ظرفیت گرمایی (Cp) یک ماده را با دما می سنجد.
مقالات مرتبط:
