El análisis térmico diferencial, la calorimetría diferencial de barrido, el análisis termogravimétrico y el análisis termomecánico son los cuatro pilares del análisis térmico, que se utilizan para estudiar fenómenos físicos como la transformación cristalina, la fusión, la sublimación y la adsorción de sustancias. como fenómenos químicos como deshidratación, descomposición, oxidación y reducción. Pueden proporcionar rápidamente datos sobre la estabilidad térmica de la sustancia en estudio, productos de descomposición térmica, cambios de entalpía de los procesos de cambio térmico, varios tipos de puntos de transición de fase, temperaturas de transición vítrea, puntos de reblandecimiento, calores específicos, pureza, temperaturas de explosión, etc. , además de alto También es un medio común para estudiar la caracterización y propiedades estructurales de los polímeros y para estudiar el equilibrio de fases y los procesos cinéticos químicos.
Análisis termogravimétrico
Además del efecto térmico que producen muchas sustancias durante el proceso de calentamiento o enfriamiento, suelen producirse cambios de masa en la magnitud del cambio y en la temperatura a la que se produce. ocurre están estrechamente relacionados con la composición química y la estructura de la sustancia. Por lo tanto, se pueden distinguir e identificar diferentes sustancias utilizando las características de los cambios de masa de las sustancias durante el calentamiento y el enfriamiento. La termogravimetría (TG) es una tecnología que mide la relación entre la masa y la temperatura de una sustancia bajo temperatura controlada por programa. Se caracteriza por una fuerte cuantificación y puede medir con precisión el cambio de masa y la tasa de cambio de sustancias. En la actualidad, el análisis termogravimétrico se utiliza ampliamente en la química y en diversos campos relacionados con la química, como la metalurgia, la ciencia de las pinturas y las tintas, la cerámica, la tecnología de los alimentos, la química inorgánica, la química orgánica, la ciencia de los polímeros, la bioquímica y las ciencias de la tierra y otras disciplinas. un papel importante.
El método de análisis termogravimétrico incluye dos tipos: método estático y método dinámico.
El método estático se divide en dos tipos: medición del cambio de masa isobárico y medición del cambio de masa isotérmico. La medición del cambio de masa isobárico, también conocida como análisis termogravimétrico de atmósfera espontánea, es un método para medir la relación entre la masa y la temperatura de una sustancia a una presión parcial constante de volátiles bajo una temperatura controlada por programa. Este método utiliza el gas formado por los productos volátiles descompuestos por la muestra como atmósfera y controla el cambio de masa con la temperatura bajo presión atmosférica constante. Su característica es que puede reducir la interferencia del proceso de oxidación durante el proceso de descomposición térmica. La medición del cambio de masa isotérmica se refiere a un método para medir la relación entre la masa de la sustancia y la temperatura en condiciones de temperatura constante. Este método mantiene la sustancia a temperatura constante hasta un peso constante en ciertos intervalos de temperatura y registra la curva de relación de temperatura y peso constante. Este método es muy preciso y puede registrar una ligera pérdida de peso, pero requiere relativamente tiempo.
El método dinámico también se denomina método termogravimétrico no isotérmico, el cual se divide en análisis termogravimétrico (TG) y análisis termogravimétrico diferencial (DTG). Tanto el análisis termogravimétrico como el termogravimétrico derivado miden la relación entre los cambios de masa del material y la temperatura bajo un aumento de temperatura programado. La termogravimetría derivada, también conocida como termogravimetría derivada (DTG), es una técnica que registra la primera derivada de una curva termogravimétrica con respecto a la temperatura o al tiempo. El análisis termogravimétrico dinámico no isotérmico y el análisis termogravimétrico diferencial se utilizan ampliamente en la tecnología de análisis térmico porque son simples y prácticos, y pueden usarse junto con DTA, DSC y otras tecnologías.
Lo siguiente se centra en el método de análisis termogravimétrico dinámico.
Analizador termogravimétrico
Los analizadores termogravimétricos se dividen en dos tipos: tipo termobalanza y tipo báscula de resorte.
1. Balanza térmica
La balanza térmica, al igual que la balanza analítica convencional, es un instrumento de pesaje, sin embargo, debido a su estructura especial, tiene importantes funciones de pesaje en comparación con las balanzas ordinarias. diferencia. Puede realizar pesaje y registro dinámicos de forma automática y continua, y puede cambiar la temperatura de la muestra de acuerdo con un determinado programa de temperatura durante el proceso de pesaje y también se puede controlar o ajustar la atmósfera alrededor de la muestra;
La balanza térmica consta de una balanza de precisión y un horno de calentamiento lineal programable con temperatura controlada. La balanza puede mantener el estado de equilibrio inicial cuando no hay cambios de masa en la muestra durante el proceso de calentamiento; cuando hay un cambio de masa, la balanza pierde el equilibrio y el sensor detecta inmediatamente y emite una señal de desequilibrio. Esta señal es amplificada por el sistema de pesaje para cambiar automáticamente la corriente en el reiniciador de la balanza, de modo que la balanza vuelva al estado inicial de la balanza, la llamada posición cero. La corriente que pasa a través de la bobina del reiniciador de balanza es proporcional al cambio en la masa de la muestra. Por lo tanto, registrar los cambios de corriente puede obtener información sobre los cambios continuos en la masa de la muestra durante el proceso de calentamiento. La temperatura de la muestra se mide y registra al mismo tiempo mediante un termopar de medición de temperatura. Así, se obtiene una curva de la relación entre la masa de la muestra y la temperatura (o tiempo). La función del amortiguador en un equilibrio térmico es mantener la estabilidad del equilibrio. Cuando la balanza oscila, se genera una señal de amortiguación. Esta señal es amplificada por el amplificador de amortiguación en el sistema de pesaje y luego devuelta al amortiguador para detener la oscilación de la balanza.
2. Curva termogravimétrica
El análisis termogravimétrico lo que obtiene es la curva de la relación entre masa del material y temperatura bajo temperatura controlada por programa, es decir, la curva termogravimétrica (curva TG). La abscisa es Temperatura o tiempo, la ordenada es masa, que también se puede expresar de otras formas como porcentaje de pérdida de peso.
Dado que el proceso real de cambio de masa de la muestra no ocurre simultánea e instantáneamente a una determinada temperatura, la forma de la curva termogravimétrica no es un paso en ángulo recto, sino una curva de transición e inclinada. La parte horizontal de la curva (es decir, la meseta) indica que la masa es constante, y la parte donde cambia la pendiente de la curva indica cambios en la masa. Por lo tanto, la curva termogravimétrica derivada (DTG) también se puede calcular a partir de la curva termogravimétrica. Si el analizador termogravimétrico está equipado con un circuito diferencial, puede registrar las curvas termogravimétrica y termogravimétrica derivada al mismo tiempo.
La ordenada de la curva termogravimétrica del microcociente es la tasa de cambio de masa con el tiempo, y la abscisa es la temperatura o el tiempo. La curva ?DTG es similar en apariencia a la curva DTA o DSC, pero la curva ?DTG indica la tasa de cambio de masa. Los puntos inicial y final de los picos corresponden a los puntos inicial y final de los pasos de la curva TG. El número de picos es igual al número de pasos de la curva ?TG. El Bit de picos es el valor máximo de la tasa de pérdida (o aumento de peso), es decir, ?, que corresponde al punto de inflexión de la curva TG. El área del pico es proporcional a la pérdida de peso, por lo que la pérdida de peso se puede calcular a partir del área del pico de DTG. Aunque la información proporcionada por la curva termogravimétrica derivada y la curva termogravimétrica es la misma, la curva termogravimétrica derivada puede reflejar claramente la temperatura de inicio de la reacción, la temperatura a la que se alcanza la velocidad máxima de reacción y la temperatura de terminación de la reacción, y mejora la resolución. La capacidad de dos o más procesos de cambio de calidad para ocurrir uno tras otro. Dado que la altura del pico de la curva termogravimétrica derivada a una determinada temperatura es directamente igual a la velocidad de reacción a esa temperatura, estos valores se pueden utilizar convenientemente en el cálculo de la cinética de la reacción química.
La figura adjunta muestra la curva TG a y la curva termogravimétrica derivada b de CuSO4.5H2O medidas en aire a una velocidad de calentamiento de aproximadamente 4°C/min. La curva a consta de tres procesos de un solo paso y cuatro plataformas. Cada proceso de un solo paso indica que la muestra ha experimentado un proceso acompañado de cambios de masa, y la plataforma con masa constante corresponde a un determinado compuesto estable. La pérdida de peso inicial cerca de 100 ℃ antes del punto A en la figura se debe a la eliminación del agua adsorbida y factores aerodinámicos en la balanza. Del punto A al punto B, la masa no cambia y la muestra es estable; del punto B al punto C, hay un proceso de pérdida de peso, y la pérdida de peso es m0-m1; la masa de la muestra vuelve a ser estable; La muestra comienza a perder más peso desde el punto D hasta el punto E. La pérdida de peso en esta etapa es m1-m2 entre el punto E y el punto F, se forma una nueva sustancia estable; la pérdida de peso ocurre entre el punto F y el punto G. La pérdida de peso es m2-m3; los intervalos del punto G y del punto H representan la forma final de la muestra, que es estable dentro del rango de temperatura experimental. Mediante el cálculo de la pérdida de peso, se demuestra que el proceso de pérdida de agua de este compuesto ha pasado por los siguientes tres pasos: CuSO4.5H2O?-->?CuSO4.3H2O?+?2?H2O CuSO4.3H2O?--> ?CuSO4.H2O+?2 ?H2O CuSO4.H2O-->?CuSO4+?H2O
La razón por la cual la pérdida de agua de CuSO4.5H2O se divide en tres pasos es porque la fuerza de unión de estas aguas cristalinas en El cristal es diferente.
Como se puede observar en los ejemplos anteriores, cuando se liberan productos volátiles debido a cambios físicos o químicos en la muestra original y sus posibles intermedios durante el proceso de calentamiento, se pueden obtener de la curva termogravimétrica. a la calidad como composición, estabilidad térmica, descomposición térmica y productos generados.