روش های آنالیز حرارتی، Thermal methods of analysis
روش های تجزیه حرارتی براساس اندازه گیری ارتباط پویا بین درجه حرارت و برخی از خواص نمونه مورد تجزیه، مانند جرم یا وزن، گرمای واکنش یا آنتالپی، فرآیندهای تبدیل فاز، حجم نمونه یا سایر ابعاد آن و مانند آنها، قرار دارند. پنج گروه مهم از روش های تجزیه حرارتی عبارتند از:
- تجزیه گرما وزن سنجی یا Thermogravimetic analysis که با TGA یا TG معرفی می شود.
- تجزیه گرمایی اختلافی یا Differential Thermal Analysis که با DTA معرفی می شود.
- گرماسنجی پویشی اختلافی یا Differential Scanning Calorimetry که با DSC معرفی می شود.
- روش های آنتالپی سنجی یا Enthalpimetric Methods که با EM معرفی می شود.
- تجزیه گرما مکانیکی یا Thermo Mechanical Analysis که با TMA معرفی می شود.
روش TGA
در روش TGA تغییرات در وزن یا جرم نمونه در طی فرآیند گرم کردن یا سرد کردن نمونه با یک برنامه دمایی کنترل شده با نرم افزار کامپیوتری، اندازه گیری می شود. در این روش، نمونه در کوره مخصوص دستگاه قرار داده شده و جرم آن به طور پیوسته با افزایش خطی درجه حرارت از دمای محیط تا بیشتر از ۱۲۰۰ درجه سانتیگراد، ثبت شده و نمودار جرم برحسب درجه حرارت یا ترموگرام رسم می شود. از این ترموگرام برای تجزیه کیفی و کمی نمونه استفاده می شود. بنابراین، یک دستگاه TGA شامل قسمت های اصلی به شرح زیر است:
(۱) ترازوی تجزیه ای حساس با توانایی ثبت جرم در هر لحظه و هر دما: این ترازو دقتی حدود ۰/۰۰۰۰۰۰۱ گرم داشته و طوری درون دستگاه جاسازی شده است که به دور از ارتعاشات محیطی و گرمای ناشی از کوره دستگاه قرار دارد.
(۲) کوره قابل برنامه ریزی: این کوره حجم کوچکی داشته و می تواند توسط برنامه نرم افزاری، از دمای محیط تا بیشتر از حدود ۱۲۰۰ درجه سانتیگراد، کنترل شود. برای آنالیز هر نمونه خاص می توان برنامه بهینه شده ای را اعمال کرد.
(۳) سیستم ایجاد برنامه و کنترل کننده دمای کوره.
(۴) رکوردر یا ثبات که نمودار جرم نمونه را برحسب درجه حرارت یا ترموگرام را رسم می کند.
دستگاه TGA برای آنالیز کیفی و کمی نمونه های جامد مانند مواد معدنی، مواد آلی، مواد پلیمری و کامپوزیت ها کاربرد دارد. بنابراین، در هر آزمایشگاه پژوهشی و صنعتی در زمینه مواد سرامیکی، فلزی، پلیمری، کامپوزیتی، شیمیایی، زمین شناسی، دارویی، غذایی، ساختمانی و مانند آنها، وجود دستگاه TGA ضروری است.
روش DTA
در روش DTA گرمای جذب شده یا آزاد شده از نمونه در طی فرآیند گرم کردن برنامه ریزی شده، با اندازه گیری اختلاف درجه حرارت بین نمونه مورد آزمایش و یک نمونه بی اثر، تعیین می شود. در این روش نمونه و ماده بی اثر مرجع (آلومینا یا سیلیکون کاربید) در ظروف قایکی مخصوص خود ریخته شده و درون کوره دستگاه قرار داده می شوند. سپس، دمای نمونه مورد آزمایش و ترکیب مرجع با سرعتی ثابت افزایش داده شده و ترموگرام مربوطه رسم می شود. بنابراین، یک دستگاه DTA شامل قسمت های اصلی به شرح زیر است:
(۱) محل نگه داری نمونه و ماده مرجع، شامل ظروف نمونه و یک بلوک سرامیکی یا فلزی، که آنها را احاطه کرده است.
(۲) کوره قابل برنامه ریزی
(۳) سیستم برنامه ریزی و کنترل درجه حرارت
(۴) سیستم رکوردر و ثبات برای ترسیم ترموگرام
دستگاه DTA برای آنالیز کیفی و کمی نمونه های جامد استفاده گسترده ای دارد. یک ترموگرام یا نمودار DTA می تواند به عنوان اثر انگشت در فرآیندهای شناسایی مواد مختلف استفاده شود. سطح زیر پیک نمودارهای DTA برای تعیین تغییر آنتالپی استفاده شده و تحت تأثیر ظرفیت گرمایی نمونه قرار ندارد.
روش DSC
در روش DSC گرمای جذب شده یا آزاد شده در طی فرآیند گرم کردن یا سرد کردن برنامه ریزی شده، با اندازه گیری اختلاف مقدار این گرما بین نمونه مورد آزمایش و یک نمونه مرجع، تعیین می شود. در این روش، در حالیکه دمای نمونه مورد آزمایش و ماده مرجع به طور پیوسته افزایش می یابد، به نمونه یا ماده مرجع گرما افزوده می شود، تا درجه حرارت آنها یکسان نگه داشته شود. این گرمای داده شده به عنوان جبران گرمای از دست داده شده یا به دست آورده در نتیجه واکنش های گرماگیر یا گرماده اتفاق افتاده در نمونه، است. دو نوع سیستم DSC رایج است، که عبارتند از: DSC جبران توان یا Power-compensation DSC و DSC شار گرمایی یا Heat-flux DSC.
دستگاه DSC نیز برای تجزیه کیفی و کمی نمونه های جامد و مواد مهندسی، کانه های معدنی، رس ها، پلیمرها و مانند آنها استفاده گسترده ای در آزمایشگاه های پژوهشی و صنعتی دارد. همچنین، برای تعیین خلوص نمونه ها، نقطه ذوب دقیق آنها، گرمای واکنش در فشار ثابت یا Cp، دمای انتقال به حالت شیشه ای یا Tg، دمای تبلور یا Tc و بررسی دیاگرم های فازی نیز از DSC استفاده می شود. بنابراین، وجود دستگاه DSC در صنایع دارویی برای تعیین درجه خلوص داروها، در صنایع غذایی برای بررسی ویژگی چربی ها و روغن ها، در صنایع پلیمری برای بررسی مخلوط های سنتزی، بسیار ضروری است. همچنین، دستگاه DSC کاربرد وسیعی برای مطالعه رفتار مواد معدنی، مانند سیلیکات ها، فریت ها، رس ها، اکسیدها، سرامیک ها و شیشه ها دارد.
روش TMA
در روش TMA تغییرات در ابعاد و یا حجم نمونه در طی فرآیند گرم کردن یا سرد کردن برنامه ریزی شده، اندازه گیری می شود. این روش انواع مختلفی دارد که برای هرکدام دستگاه ویژه ای وجود دارد. در همه دستگاه های TMA تنشی به نمونه مورد آزمایش، طی یک برنامه کنترل شده اعمال شده و کرنش نمونه در مقابل این استرس تعیین می شود. سپس، نمودار تنش- کرنش یا Stress- Strain ثبت شده که از آن داده های مهمی در مورد نمونه به دست می آید. اگر اعمال تنش و ثبت کرنش با روش همدما یا ایزوترمال باشد، این روش TMA نامیده می شود. اگر اعمال تنش و ثبت کرنش طی یک روش برنامه ریزی شده باشد، این روش تجزیه مکانیکی پویا یا Dynamic Mechanical Analysis یا DMA نامیده می شود.
با استفاده از دستگاه TMA می توان داده هایی در زمینه، دمای انتقال به حالت شیشه ای، Tg، رفتار خزشی، رفتار پخت، نقطه نرمی، نقطه ذوب، مقاومت کششی، مقاومت خمشی، شکست و انواع مدول، مانند الاستیسیته، صلبیت، پیچشی و مدول یانگ و بسیاری از مدول های دیگر را به دست آورد.