تست، تشخیص و آنالیز پلیمرها به‌روش 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 اندازه‌گیری، اطلاعاتی در مورد پدیده‌های فیزیکی مانند انتقال فاز، جذب، دفع و هم‌چنین پدیده‌های شیمیایی مانند جذب شیمیایی، تخریب حرارتی و واکنش‌های جامد-گاز می‌دهد. TGA یک ابزار آزمایشگاهی ضروری مورد استفاده برای هویت‌شناسی مواد است. این مقاله مقدمه‌ای بر مفاهیم TGA را با پاسخ‌گویی به سؤالات رایج در این زمینه فراهم می‌آورد.

TGA چیست؟

    آنالیز توزین حرارتی تکنیکی است که در آن مقدار مشخصی از ماده، به‌عنوان تابعی از دما یا زمان، تحت یک برنامه دما و اتمسفر کنترل‌شده بررسی می‌شود. در این تکنیک، نمونه در طول آزمون در یک کوره گرم یا سرد شده و وزن آن اندازه‌گیری می‌شود. دستگاه TGA متشکل از یک ظرف نمونه بر روی یک ترازو است که در طول آزمایش در کوره گرم یا سرد می‌شود. 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 می‌کند. این گاز ممکن است گاز بی‌اثر و یا یک گاز واکنشی باشد که نمونه در معرض آن قرار می‌گیرد و سپس از طریق خروجی دستگاه به بیرون هدایت می‌گردد. در شکل 1 اجزای مختلف دستگاه TGA نشان داده شده است.

شکل 1. اجزای مختلف دستگاه TGA

منحنی حرارتی TGA نمایانگر چیست؟

    این آنالیز می‌تواند میزان کاهش رطوبت، حلال و نرم‌کننده، دکربوکسیلاسیون، تجزیه حرارتی (پیرولیز)، اکسیداسیون، تخریب، درصد وزنی پرکننده، مقدار کاتالیست فلزی باقی‌مانده در نانو لوله‌های کربنی و درصد وزنی خاکستر (ash) را گزارش کند. این اندازه‌گیری‌های کمّی معمولاً بر اثر اعمال حرارت انجام می‌گیرند، اما در برخی از آزمایش‌ها ممکن است پس از خنک شدن، اطلاعات مورد نیاز حاصل شوند.

شکل ظاهری منحنی حرارتی TGA

    همان‌طور که در شکل 2 مشاهده می‌شود، محور افقی (محور X)، زمان یا درجه حرارت و محور عمودی (محور Y)، وزن (بر حسب میلی‌گرم) یا درصد وزنی را نمایش می‌دهد.

شکل 2. شکل ظاهری منحنی حرارتی TGA

چه چیزی می‌توانیم از این منحنی استنباط کنیم؟

    منحنی حرارتی TGA از سمت چپ به راست نمایش داده می‌شود و نزولی بودن آن نمایان‌گر کاهش وزن است. این منحنی با توجه به ماهیت نمونه، انواع متفاوتی دارد که در شکل 3 برخی از آنها نشان داده شده‌اند.

شکل 3. انواع منحنی‌های TGA

    این نمودارها را می‌توان به‌صورت زیر تفسیر کرد:

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

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

منحنی (iii): این منحنی برای بررسی استوکیومتری یا مطالعه سینتیک واکنش به‌کار می‌رود 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 به‌کار می‌رود و تجزیه نمونه را در چند مرحله، با حد واسط‌‌های نسبتاً پایدار نشان می‌دهد.

منحنی (v): این منحنی مانند نوع (iv) نمایان‌گر تجزیه چند مرحله‌ای است، اما در این‌جا حد واسط‌های پایدار تشکیل نمی‌شوند و اطلاعات اندکی از هر مرحله به‌دست می‌آید. از طریق حرارت‌دهی با سرعت‌ پایین، این منحنی شبیه نوع (iv) می‌شود. در حالی که در سرعت حرارت دادن بالا نوع (iv) و نوع (v) بیش‌تر به منحنی نوع (iii) شبیه هستند و از این‌رو، اطلاعات جزیی 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 نشان‌دهنده واکنش اکسیداسیون است. در این نوع اکسیداسیون، نمونه در دماهای بالا دوباره تجزیه می‌گردد.

عوامل مؤثر بر منحنی‌های TGA

    برخی عوامل نیز می‌توانند بر روی منحنی‌های حاصل از روش آنالیز توزین حرارتی و مشتق توزین حرارتی به دو گروه اثرات دستگاهی و ویژگی‌های نمونه تقسیم شوند. در جدول 1 این عوامل نام برده شده‌اند.

جدول 1. عوامل مؤثر بر منحنی‌های TGA

در قسمت‌های بعدی این مقاله، تفسیر، کاربرد و محاسبات کمی نمودارهای TGA به‌تفصیل بیان خواهد شد.