El análisis termogravimétrico o análisis termogravimétrico ( TGA ) es un método de análisis térmico en el que la masa de una muestra se mide sobre el tiempo como las de temperatura cambios. Esta medida proporciona información sobre fenómenos físicos, como transiciones de fase , absorción , adsorción y desorción ; así como fenómenos químicos que incluyen quimisorciones , descomposición térmica y reacciones sólido-gas (por ejemplo, oxidación o reducción ).[1]
Acrónimo | TGA |
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Clasificación | Análisis térmico Un sistema TGA típico |
Otras tecnicas | |
Relacionados | Microcalorimetría isotérmica Calorimetría diferencial de barrido Análisis mecánico dinámico Análisis termomecánico Análisis térmico diferencial Análisis térmico dieléctrico |
Analizador termogravimétrico
El análisis termogravimétrico (TGA) se realiza en un instrumento denominado analizador termogravimétrico. Un analizador termogravimétrico mide continuamente la masa mientras que la temperatura de una muestra cambia con el tiempo. La masa, la temperatura y el tiempo se consideran medidas de base en el análisis termogravimétrico, mientras que muchas medidas adicionales pueden derivarse de estas tres medidas de base.
Un analizador termogravimétrico típico consiste en una balanza de precisión con una bandeja de muestras ubicada dentro de un horno con una temperatura de control programable. La temperatura generalmente se aumenta a una velocidad constante (o para algunas aplicaciones, la temperatura se controla para una pérdida de masa constante) para incurrir en una reacción térmica. La reacción térmica puede ocurrir bajo una variedad de atmósferas que incluyen: aire ambiente , vacío , gas inerte, gases oxidantes / reductores, gases corrosivos, gases carburantes, vapores de líquidos o "atmósfera autogenerada"; así como una variedad de presiones que incluyen: alto vacío, alta presión, presión constante o presión controlada.
Los datos termogravimétricos recopilados de una reacción térmica se compilan en un gráfico de masa o porcentaje de masa inicial en el eje y frente a la temperatura o el tiempo en el eje x. Este gráfico, que a menudo se suaviza , se denomina curva TGA . La primera derivada de la curva TGA (la curva DTG) se puede trazar para determinar los puntos de inflexión útiles para interpretaciones en profundidad, así como para el análisis térmico diferencial .
Un TGA se puede utilizar para la caracterización de materiales mediante el análisis de patrones de descomposición característicos. Es una técnica especialmente útil para el estudio de materiales poliméricos , incluidos termoplásticos , termoestables , elastómeros , compuestos , películas plásticas , fibras , revestimientos , pinturas y combustibles .
Tipos de TGA
Hay tres tipos de termogravimetría:
- Termogravimetría isotérmica o estática: en esta técnica, el peso de la muestra se registra en función del tiempo a temperatura constante.
- Termogravimetría cuasiestática: en esta técnica, la temperatura de la muestra se eleva en pasos secuenciales separados por intervalos isotérmicos, durante los cuales la masa de la muestra alcanza la estabilidad antes del inicio de la siguiente rampa de temperatura.
- Termogravimetría dinámica: en esta técnica la muestra se calienta en un ambiente cuya temperatura se cambia de manera lineal.
Aplicaciones
Estabilidad térmica
La TGA se puede utilizar para evaluar la estabilidad térmica de un material. En un rango de temperatura deseado, si una especie es térmicamente estable, no se observará ningún cambio de masa. La pérdida de masa insignificante corresponde a poca o ninguna pendiente en la traza TGA. TGA también da la temperatura de uso superior de un material. Más allá de esta temperatura, el material comenzará a degradarse.
TGA se utiliza en el análisis de polímeros. Los polímeros generalmente se derriten antes de descomponerse, por lo que el TGA se usa principalmente para investigar la estabilidad térmica de los polímeros. La mayoría de los polímeros se funden o degradan antes de los 200 ° C. Sin embargo, existe una clase de polímeros térmicamente estables que son capaces de soportar temperaturas de al menos 300 ° C en el aire y 500 ° C en gases inertes sin cambios estructurales o pérdida de resistencia, que pueden ser analizados por TGA. [2] [3] [4]
Oxidación y combustión
La caracterización de materiales más simple es el residuo que queda después de una reacción. Por ejemplo, una reacción de combustión podría probarse cargando una muestra en un analizador termogravimétrico en condiciones normales . El analizador termogravimétrico provocaría la combustión de iones en la muestra al calentarla más allá de su temperatura de ignición . La curva de TGA resultante trazada con el eje y como porcentaje de la masa inicial mostraría el residuo en el punto final de la curva.
Las pérdidas de masa oxidativa son las pérdidas observables más comunes en TGA. [5]
Estudiar la resistencia a la oxidación en las aleaciones de cobre es muy importante. Por ejemplo, la NASA (Administración Nacional de Aeronáutica y del Espacio) está realizando una investigación sobre aleaciones de cobre avanzadas para su posible uso en motores de combustión . Sin embargo, la degradación oxidativa puede ocurrir en estas aleaciones a medida que se forman óxidos de cobre en atmósferas ricas en oxígeno. La resistencia a la oxidación es muy importante porque la NASA quiere poder reutilizar los materiales del transbordador. TGA se puede utilizar para estudiar la oxidación estática de materiales como estos para uso práctico.
La combustión durante el análisis de TG es identificable por distintos rastros hechos en los termogramas de TGA producidos. Un ejemplo interesante ocurre con muestras de nanotubos de carbono sin purificar tal como se producen que tienen una gran cantidad de catalizador metálico presente. Debido a la combustión, una traza de TGA puede desviarse de la forma normal de una función de buen comportamiento. Este fenómeno surge de un rápido cambio de temperatura. Cuando se grafican el peso y la temperatura frente al tiempo, un cambio dramático de pendiente en el gráfico de la primera derivada es simultáneo con la pérdida de masa de la muestra y el aumento repentino de temperatura observado por el termopar. La pérdida de masa podría ser el resultado de las partículas de humo liberadas por la combustión provocadas por inconsistencias en el propio material, más allá de la oxidación del carbono debido a una pérdida de peso mal controlada.
También se pueden utilizar diferentes pérdidas de peso en la misma muestra en diferentes puntos como diagnóstico de la anisotropía de la muestra. Por ejemplo, tomar muestras del lado superior e inferior de una muestra con partículas dispersas en el interior puede ser útil para detectar la sedimentación, ya que los termogramas no se superpondrán, pero mostrarán un espacio entre ellos si la distribución de partículas es diferente de un lado a otro. [6] [7]
Cinética termogravimétrica
Se puede explorar la cinética termogravimétrica para comprender los mecanismos de reacción de descomposición térmica (catalítica o no catalítica) involucrados en los procesos de pirólisis y combustión de diferentes materiales. [8] [9] [10] [11] [12] [13] [14]
Las energías de activación del proceso de descomposición se pueden calcular utilizando el método Kissinger. [15]
Aunque una tasa de calentamiento constante es más común, una tasa de pérdida de masa constante puede iluminar la cinética de reacción específica. Por ejemplo, los parámetros cinéticos de la carbonización de polivinil butiral se encontraron usando una tasa de pérdida de masa constante de 0,2% en peso / min. [dieciséis]
Funcionamiento en combinación con otros instrumentos
El análisis termogravimétrico a menudo se combina con otros procesos o se usa junto con otros métodos analíticos.
Por ejemplo, el instrumento TGA pesa continuamente una muestra mientras se calienta a temperaturas de hasta 2000 ° C para acoplarla con la espectroscopia infrarroja por transformada de Fourier (FTIR) y el análisis de gases por espectrometría de masas . A medida que aumenta la temperatura, se descomponen varios componentes de la muestra y se puede medir el porcentaje en peso de cada cambio de masa resultante.
No Señor. | Análisis gravimétrico térmico (TGA) | Análisis térmico diferencial (DTA) |
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1 | En TGA, la pérdida o ganancia de peso se mide en función de la temperatura o el tiempo. | En DTA, la diferencia de temperatura entre una muestra y una referencia se mide en función de la temperatura. |
2 | La curva TGA aparece como pasos que involucran porciones horizontales y curvas. | La curva DTA muestra picos ascendentes y descendentes. |
3 | El instrumento utilizado en TGA es una termobalanza. | El instrumento utilizado en DTA es un aparato DTA. |
4 | TGA proporciona información solo para sustancias que muestran un cambio de masa al calentar o enfriar. | DTA no requiere un cambio en la masa de la muestra para obtener información significativa. El DTA se puede utilizar para estudiar cualquier proceso en el que se absorba o se libere calor. |
5 | La temperatura superior utilizada para TGA es normalmente de 1000 ° C. | La temperatura superior utilizada para DTA es a menudo más alta que TGA (hasta 1600 ° C). |
6 | El análisis cuantitativo se realiza a partir de la curva térmica midiendo la pérdida de masa. metro. | El análisis cuantitativo se realiza midiendo las áreas de los picos y las alturas de los picos. |
7 | Los datos obtenidos en TGA son útiles para determinar la pureza y composición de los materiales, las temperaturas de secado e ignición de los materiales y conocer las temperaturas de estabilidad de los compuestos. | Los datos obtenidos en DTA se utilizan para determinar temperaturas de transiciones, reacciones y puntos de fusión de sustancias. |
Referencias
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