تست، تشخیص و آنالیز پلیمرها به روش TGA
(قسمت اول: آشنایی با تست TGA)

بررسی دمای کاهش وزن و تخریب حرارتی (Thermal Gravimetric Analysis) یک روش تحلیلی حرارتی است که مبنای عملکرد آن تغییر جرم نمونه با تغییر دما، در طول زمان است. این اندازه گیری، اطلاعاتی در مورد پدیده های فیزیکی مانند انتقال فاز، جذب، دفع و هم چنین پدیده های شیمیایی مانند جذب شیمیایی، تخریب حرارتی و واکنش های جامد-گاز می دهد. TGA یک ابزار آزمایشگاهی ضروری مورد استفاده برای هویت شناسی مواد است. این مقاله مقدمه ای بر مفاهیم TGA را با پاسخ گویی به سوالات رایج در این زمینه را فراهم می آورد.

TGA چیست؟

آنالیز توزین حرارتی، تکنیکی است که در آن مقدار مشخصی از ماده به عنوان تابعی از دما یا زمان تحت یک برنامه دما و اتمسفر کنترل شده، بررسی می شود. در این تکنیک، نمونه در طول آزمون در یک کوره گرم یا سرد شده و وزن آن اندازه گیری می شود. دستگاه TGA متشکل از یک ظرف نمونه بر روی یک ترازو است که در طول آزمایش در کوره گرم یا سرد می شود. جرم نمونه در طول آزمایش در اثر حرارت دیدن کم یا زیاد شده و کاملاً تحت نظارت است و یک گاز تصفیه نمونه، محیط نمونه را کنترل می کند. این گاز ممکن است گاز بی اثر و یا یک گاز واکنشی باشد که نمونه در معرض آن قرار می گیرد و سپس از طریق خروجی دستگاه به بیرون هدایت می گردد. در شکل ۱، اجزای مختلف دستگاه TGA نشان داده شده است.

شکل ۱- اجزای مختلف دستگاه TGA

منحنی حرارتی TGA نمایانگر چیست؟

این آنالیز می تواند میزان کاهش رطوبت، حلال و نرم کننده، دکربوکسیلاسیون، تجزیه حرارتی (پیرولیز)، اکسیداسیون، تخریب، درصد وزنی پرکننده، مقدار کاتالیست فلزی باقی مانده در نانو لوله های کربنی و درصد وزنی خاکستر (ash) را گزارش کند. این اندازه گیری های کمّی معمولاً بر اثر اعمال حرارت انجام می گیرند، اما در برخی از آزمایش ها ممکن است پس از خنک شدن، اطلاعات مورد نیاز حاصل شوند.

شکل ظاهری منحنی حرارتی TGA

همان طور که در شکل ۲ مشاهده می شود، محور افقی (محور X)، زمان یا درجه حرارت و محور عمودی (محور Y)، وزن (بر حسب میلی گرم) یا درصد وزنی را نمایش می دهد.

شکل ۲- شکل ظاهری منحنی حرارتی TGA

چه چیزی می توانیم از این منحنی استنباط کنیم؟

منحنی حرارتی TGA از سمت چپ به راست نمایش داده شود و نزولی بودن آن نمایانگر کاهش وزن است. این منحنی، با توجه به ماهیت نمونه انواع متفاوتی دارد که در شکل ۳ برخی از آن‌ها نشان داده شده اند.

شکل۳- انواع منحنی های TGA

این نمودارها را می توان به صورت زیر تفسیر کرد:

منحنی (i): نمونه وزن شده در محدوده دمایی مورد نظر پایدار است. در این نمودار انتقال فاز جامد مثل ذوب شدن، پلیمرشدن و یا واکنش های دیگر هیچ محصول فراری ندارند که خود را در منحنی آنالیز توزین حرارتی نشان دهند، از این رو اطلاعات خاصی از این نوع نمودار حاصل نمی‌شود.

منحنی(ii): مشاهده کاهش سریع جرم اولیه، نشان دهندۀ خشک شدن یا دفع رطوبت نمونه است.

منحنی(iii): این منحنی برای بررسی استوکیومتری یا مطالعه سینتیک واکنش به کار می رود و تجزیه نمونه را در یک مرحله، با حد واسط‌های نسبتاً پایدار نشان می‌دهد.

منحنی(iv): این منحنی برای بررسی استوکیومتری یا مطالعه سینتیک واکنش به کار می رود و تجزیه نمونه را در چند مرحله، با حد واسط‌های نسبتاً پایدار نشان می‌دهد.

منحنی(v): این منحنی مانند نوع (iv) نمایان گر تجزیه چند مرحله‌ای است اما در این جا حد واسط های پایدار تشکیل نمی‌شوند و اطلاعات اندکی از هر مرحله به دست می آید. از طریق حرارت دهی با سرعت‌ پایین این منحنی شبیه نوع (iv) می شود. در حالی که در سرعت حرارت دادن بالا نوع (iv) و نوع (v) بیش تر به منحنی نوع (iii) شبیه هستند و از این رو، اطلاعات جزئی نمونه از دست می‌رود.

منحنی (vi): در این نوع منحنی، واکنشی بین نمونه و اتمسفر رخ داده است که نمونه آن، اکسیداسیون نمونه فلزی است.

منحنی (vii): این نمودار نیز نشان دهنده واکنش اکسیداسیون است. در این نوع اکسیداسیون، نمونه در دماهای بالا دوباره تجزیه می‌گردد.

عوامل مؤثر بر منحنی های TGA

برخی عوامل نیز می توانند بر روی منحنی‌های حاصل از روش آنالیز توزین حرارتی و مشتق توزین حرارتی به دو گروه اثرات دستگاهی و ویژگی های نمونه تقسیم می شوند. در جدول ۱ این عوامل نام برده شده اند.

جدول ۱- عوامل مؤثر بر منحنی های TGA

در قسمت های بعدی این مقاله، تفسیر، کاربرد و محاسبات کمی نمودارهای TGA به تفصیل بیان خواهد شد.