تست، تشخیص و آنالیز پلیمرها به‌روش TGA

(قسمت سوم:  کاربرد TGA)

    در قسمت اول مقاله آنالیز توزین حرارتی، نمودارهای TGA به‌طور کلی مورد بررسی قرار گرفتند و در بخش دوم نیز، تفسیر این نمودارها با بیان مثال‌های پلیمری بیان شد. در این بخش، کاربرد TGA به‌کمک نمودارهای مواد پلیمری مختلف توضیح داده شده است.

    در اکثر آزمون‌های TGA از یک گاز بی‌اثر استفاده می‌کنند. این کار به این منظور انجام می‌گیرد تا تنها عامل واکنش‌پذیری نمونه، افزایش دما باشد. به فرآیند گرم شدن نمونه و تجزیه شیمیایی مواد آلی در محیطی با اتمسفر بی‌اثر، پیرولیز می‌گویند. گاهی اوقات ممکن است استفاده از گاز واکنشی خالصی مانند اکسیژن نیاز باشد. به‌عنوان مثال، راهکار رایج برای شناسایی درصد کربن در یک ماده، با تغییر اتمسفر گازی از نیتروژن به اکسیژن در طی آزمون امکان‌پذیر است. کاربرد TGA در هویت‌شناسی عبارتند از مقایسه دو محصول مشابه، کنترل و تضمین کیفیت برای اطمینان از مطابقت با مشخصات مورد نیاز، ایمنی محصول، تعیین مقدار کربن، شناسایی دمای عمل‌کردی ایمن تحت گازهای مختلف، بهبود فرآیندهای تولید محصول، تولید محصول به‌روش مهندسی معکوس و تجزیه و تحلیل نانومواد که در زیر، هریک از این کاربردها با بیان مثال توضیح داده شده‌اند.

1. مقایسه دو محصول مشابه

    در شکل 1، دو نوع قهوه در شرایط مشابه مقایسه شده‌اند؛ قهوه زیمبابوه با رنگ آبی و قهوه کلمبیا با رنگ قرمز. خطوط ممتد، منحنی‌های کاهش وزن و خطچین‌ها، مشتق‌های مربوطه هستند. در این نمودار تفاوت‌ها بوضوح نشان داده شده، اما تنها متخصص این زمینه است که از این تفاوت‌ها می‌تواند در جهت تفسیر مناسب این نمودارهای TGA استفاده کند. این تفاوت‌ها در هویت‌شناسی نمونه‌های پلیمری مشابه نیز، به‌همین صورت توسط مهندسین پلیمر تفسیر می‌گردد.

شکل 1. مقایسه دو محصول مشابه

2. کنترل و تضمین کیفیت برای اطمینان از مطابقت با مشخصات مورد نیاز

    در این‌جا TGA مدار چاپی تقویت‌شده با فایبرگلاس نشان داده شده است. این آزمون، تعیین‌کننده مقدار رزین و مقدار فایبر گلاس مورد استفاده در این ماده است. در شکل 2، محاسبه تغییرات عمودی نمودار برای تعیین درصد اجزاء استفاده‌شده و درصد رزین 44/144 و فایبر گلاس 56/854 است. رزین در دو مرحله تجزیه می‌شود. در مرحله اول بسرعت انجام شده و پس از تجزیه آخرین جزء رزین باقی‌مانده، با سرعت کم‌تری ادامه می‌یابد که نشان‌دهنده تجزیه جزء بعدی (فایبر گلاس) است. به این صورت، درصد هر یک از اجزای ترکیب پلیمری قابل محاسبه است.

شکل 2. کنترل و تضمین کیفیت برای اطمینان از مطابقت با مشخصات مورد نیاز

3. ایمنی محصول

    در شکل 3، یک ماده سه جزئی ABS (اکریلو نیتریل بوتادی‌ان استایرن) داریم. این ABS دارای غلظت بالای بوتادی‌ان است. منحنی کاهش وزن قرمز، سه کاهش وزن مجزا را نشان می‌دهد که هر یک نشان‌دهنده یک جزء است. منحنی مشتق آبی دارای 3 قله است. این موضوع نشان‌دهنده آن است که در این آزمون، سه رویداد مختلف حرارتی رخ داده است. درصد هر جزء برای این محصول باید طبق استاندارد ایمنی، از حد مجاز فراتر نباشد. با استفاده از روش خودکار گام به گام می‌توان درصد اجزا را به‌طور دقیق‌تر بررسی کرد.

شکل 3. ایمنی محصول

4. تعیین مقدار کربن

    در این‌جا نمونه‌ای از یک سلولز اتیل با استفاده از تغییر گاز پرچ‌شده مورد آزمون قرار گرفت. سرعت پرچ گاز به محفظه نمونه، 30 mL/min برای نیتروژن و هوا بود. تغییر اتمسفر گازی از نیتروژن به اکسیژن توسط یک دستورالعمل ساده نرم‌افزاری ایجاد می‌شود و درصد تغییرات عمودی نمودار پس از تغییر گاز، مقدار کربن موجود در این ماده است (شکل 4).

شکل 4. تعیین مقدار کربن

5. شناسایی دمای عمل‌کردی ایمن تحت گازهای مختلف

    این آزمون، نمونه‌ای از آنالیز TGA نمونه منگنز تحت اتمسفر نیتروژن و با سرعت پرچ mL/min 30 است که با افزایش وزن همراه می‌شود. محاسبه تغییرات عمودی نمودار شکل 5، با در نظر گرفتن محدوده انتخابی از 115 درجه سانتی‌گراد تا 1190 درجه سانتی‌گراد تنظیم شد. در این آزمون، افزایش وزن به‌دلیل تشکیل نیترید منگنز است. اگر همین آزمون را تحت اتمسفر آرگون انجام دهیم، تغییر وزنی نخواهیم داشت.

شکل 5. شناسایی دمای عمل‌کردی ایمن تحت گازهای مختلف

6. بهبود فرآیندهای تولید محصول

    نمونه‌ای از تالک تحت هوای ساکن از 50 تا 1500 درجه سانتی‌گراد، با سرعت اسكن كردن 10 C/min° است (شکل 6). منحنی قرمز نشان‌دهنده کاهش وزن و مشتق اول آن، منحنی آبی است. از آن‌جایی که تالک به‌عنوان یک محصول بهداشتی شخصی در هوای ساکن فرآیند می‌شود، این محیط، به‌عنوان اتمسفر گازی انتخاب شده است. با درک بهتر زمان وقوع رخدادهای حرارتی، امکان بهینه‌سازی فرآیند را فراهم می‌آورد.

شکل 6. بهبود فرآیندهای تولید محصول

7. تولید محصول به‌روش مهندسی معکوس

    TGA اغلب به‌عنوان ابزار کنترل و تضمین کیفیت استفاده می شود؛ از این رو، مقایسه محصولات اغلب به‌کمک TGA انجام می‌گردد. مطابق نمودار شکل 7، محصولات رقابتی مانند تیغه برف‌پاک‌کن خودروی تأمین‌کنندگان مختلف، از طریق TGA قابل تمایز هستند.

شکل 7. تولید محصول به‌روش مهندسی معکوس

8. تجزیه و تحلیل نانومواد

    TGA به‌طور گسترده ای به‌عنوان یک ابزار کنترل و تضمین کیفیت در تولید، استفاده و هویت‌شناسی محصول نهایی حاوی کربن نانو تیوب (CNT) یا نانوذرات (NP) به‌کار می‌رود. این آزمون، در فرآیند تولید CNT برای تعیین مقدار کاتالیست فلزی باقی‌مانده بر آن استفاده می‌شود. این کار به این دلیل انجام می‌شود که درصد خلوص، معیار طبقه‌بندی کربن نانو تیوپبها است. به‌عبارت دیگر، محتوای کربن به فلز در این کاتالیست‌ها کم‌تر از 100 درصد است. خصوصیات پوشش‌های روی NPها و CNTها با استفاده از آنالیز گازی تکامل‌یافته (evolved) و بهره‌گیری از تکنیک‌های TGA-EGA به‌دست آید.