تکنیک های آنالیز حرارتی جهت انالیز کیفی و کمی در مورد تأثیر حرارت بر انواع مختلف مواد، از جمله ترکیبات شیمیایی، پلیمرها (لاستیک، پلاستیک و کامپوزیت)، سرامیکها، آلیاژها، مواد معدنی، غذا و داروها میباشد. کنیک هتی مختلف آنالیز حرارتی مانند: تجزیه گرمایی تفاضلی (DTA)، گرماسنجی پویشی تفاضلی (DSC)، گرما وزن سنجی (TGA)، تجزیه گرما مکانیکی (TMA)، تجزیه آزادسازی گاز (جهت تعیین ماهیت یا مقدار محصولات فرار) (EGA) و تجزیه گرمایی دینامیک-مکانیکی (DMTA) تعریف میشود. این روش‌های گرمایی آنالیز، روش های میباشند که تغییر برخی از خواص مواد را ضمن اعمال یک برنامه دمایی مشخص بررسی میکنند.. برنامه های دمایی متغییر که به نمونه های مورد بررسی اعمال میشود و پس از بررسی میزان تغییرات نمودار نسبی مورد مطالعه قرار میگیرد.
روش های TGA / DTA / DSC ، سه روش مجزا هستند که هر یک برای تجزیه انواع ترکیبات به کار می روند. آنالیز و تجزیه ترکیبات در این سه روش بر اساس واکنش های شیمیایی که در اثر تغییرات دما رخ می دهد انجام می گیرد. روش TGA، به عنوان تجزیه وزن سنجی حرارتی شناخته می شود؛ DTA، به تجزیه حرارتی تفاضلی اشاره دارد و روش تجزیه ای DSC به معنای کالریمتری پویشی حرارتی است.
هر سه تکنیک فوق، انواع روش های تجزیه حرارتی به شمار می‌روند. تفاوت اصلی میان سه روش TGA / DTA / DSC بر مبنای روش اندازه گیری تغییرات در نمونه ناشی از تاثیرات حرارت می باشد.
در روش تجزیه TGA؛ تغییرات در طول نمونه همزمان با افزایش دما اندازه گیری می شود. در روش تجزیه ای DTA، اندازه گیری ها بر اساس تفاوت دمایی میان نمونه مورد مطالعه و نمونه مرجع ثبت میشود و در روش تجزیه ای DSC، حرارت آزاد شده در طول فرایند شیمیایی اندازه گیری می شود.
تکنیک ها:
TGA:
در روش TGA، تغییرات جرم نمونه همزمان با تغییرات دما، ثبت و اندازه گیری شده و آنالیز، انجام می گیرد.
DTA:
در روش DTA، تفاوت دمایی میان نمونه مورد مطالعه و نمونه مرجع در شرایط حرارتی معین و تنظیم شده، اندازه گیری می شود.
DSC:
در روش DSC، جریان حرارت بر حسب تغییرات دمایی در یک زمان معین، اندازه گیری می شود.
روش تجزیه DSC
روش تجزیه DSC با عنوان کالریمتری پویشی تفاضلی شناخته می شود. در روش DSC ، جریان حرارت بر حسب تغییرات دمایی در یک زمان ویژه اندازه گیری می شود. دستگاهی که در روش تجزیه DSC به کار می رود با عنوان “کالریمتر” شناخته می شود. این دستگاه شامل محفظه نگهدارنده نمونه و محلول مرجع می باشد. محفظه مخصوص نگهدارنده محلول مرجع توسط یک حلال پر می شود. محفظه مخصوص نمونه مورد مطالعه با مواد نمونه ای که در حلال مشابه حل شده است، پر می شود. حلال مورد استفاده در هر دو نمونه باید مشابه بوده و مقدار مشخص داشته باشند. تکنیک DSC برای مواد شیمیایی و همچنین واکنش های بین مواد به کار می رود.
در پایان آزمایش، یک نمودار حرارتی به دست می آید. نمودار حرارتی، میزان انحراف انرژی آزاد شده از نمونه را با توجه به تغییرات نمونه مرجع ثبت می‌کند. نمودار رسم شده برای نمونه مرجع، “خط پایه” نامیده می شود. نمودار بالای خط پایه، انتقال اگزوترمیک نام دارد و انحراف در پایین خط پایه، انتقال حرارتی اندوترمیک محسوب می شود. فضای سطح زیر پیک، به طور مستقیم، نسبت مقدار انرژی حرارتی جذب شده یا آزاد شده توسط نمونه را نشان می دهد.
در این روش حرارتی مقدار کمی از نمونه برای تجزیه کافی است. دلیل آن این است که این مقدار کم از نمونه در حلال که در مرجع استفاده شده است قبل از آغاز روش حرارتی حل می شود. روش تجزیه حرارتی DSC برای تعیین گرمای واکنش به خصوص واکنش های شیمیایی ویژه مناسب است. علاوه بر این، هر دو نمونه مورد مطالعه و نمونه مرجع در شرایط یکسان و دمای حرارتی یکسان مورد مطالعه قرار می‌گیرند. بنابراین نتایج به دست آمده است معتبر هستند.
روش تجزیه حرارتی TGA
تجزیه TGA یا تجزیه وزن سنجی حرارتی، نوعی تکنیک آنالیز گرمایی است. در این تکنیک، تغییرات جرم نمونه، مشاهده شده و سپس مورد آنالیز قرار میگیرد. عامل تجزیه نمونه، تغییر دما می باشد. این فاکتور، به عنوان تابعی از زمان در دمای ثابت اندازه گیری می شود. TGA برای تجزیه بسیاری از ترکیبات خالص، کربنات ها، مواد آلی موجود در نمونه های مورد مطالعه و غیره بسیار کاربرد دارد.
موادی که می توانند توسط روش TGA تجزیه و بررسی شوند شامل مواد معدنی، فلزات، پلیمرها، پلاستیک ها، سرامیک، انواع مواد شیشه و کامپوزیت می باشند.دستگاهی که برای روش تجزیه TGA به کار می رود معمولاً به دستگاه آنالیزگر ترموگراویمتری معروف است. قسمت های دستگاه ترموگراویمتری می توانند نمونه را به طور پیوسته در راستای تغییرات دمایی اندازه گیری کنند. پارامترهای اصلی که در روش تجزیه TGA اندازه گیری می شوند عبارتند از: جرم، دما و زمان.
با توجه به اندازه گیری های صحیح و دقیق، دما به طور تدریجی افزایش یا کاهش پیدا می کند و سپس در همین راستا، جرم به طور پیوسته اندازه گیری می شود. این تجزیه حرارتی می تواند در شرایط اتمسفری مختلف نظیر شرایط اتمسفری نرمال و یا تحت خلا انجام گیرد.
روش تجزیه حرارتی TGA می تواند برای ارزیابی پایداری حرارتی مواد نیز به کار رود. برخی اوقات، این روش تجزیه ای برای تعیین تغییرات جرم که در واکنش های احتراقی و سوختی رخ می دهد بسیار مفید می باشد. برای ترکیبات بسیار فرار، استفاده از روش تجزیه حرارتی TGA ، یک تکنیک ایده آل برای تعیین سرعت تبخیر می باشد. این روش حرارتی همچنین به تعیین دمای خشک شدن مواد کمک می کند
روش تجزیه حرارتی DTA
روش DTA یا روش آنالیز حرارتی تفاضلی، نوعی تکنیک تجزیه حرارتی است. در این روش، تفاوت دما میان نمونه و ترکیب مرجع اندازه گیری می شود. نمونه مورد مطالعه و مرجع، هر دو تحت فرایند حرارتی قرار گرفته اند. نمونه مرجع باید به صورت بی نقص و خنثی به کار رود. نمونه مورد مطالعه و مرجع باید به یک روش مشابه در دمای یکسان آماده‌سازی شوند.
اگر هیچ تفاوتی میان دمای نمونه و مرجع وجود نداشته باشد ترکیب نمونه از نظر حرارتی کاملاً بی عیب و نقص خواهد بود. این به آن دلیل است که مواد مرجع نیز از نظر حرارتی خنثی هستند؛ به همین دلیل نمونه می تواند با توجه به ویژگی های مواد مرجع اندازه گیری شود.
تجزیه گر حرارتی DTA شامل یک نگهدارنده نمونه، حسگر ها، کوره، سیستم کنترل کننده شرایط دمایی و ثبت کننده نتایج می باشد. DTA می تواند برای طیف وسیع اندازه گیری های دمایی مفید واقع شود. این دستگاه از حساسیت بالایی برخوردار است. موارد فوق از مزایای روش تجزیه حرارتی تفاضلی یا DTA هستند.
تکنیک DTA برای تجزیه حرارتی و بررسی ویژگی های مواد معدنی و همچنین برای تشخیص ویژگی پلیمرها در داروسازی و صنایع غذایی مورد استفاده قرار می گیرد. این روش همچنین برای تجزیه مواد بیولوژیکی، یک روش آنالیز بسیار ایده آل است.
TGA / DTA / DSC، تکنیک های تجزیه حرارتی هستند. این روش ها برای بررسی و مطالعه رفتار مواد ویژه در اثر تغییرات دمایی، به کار می روند. همچنین این روش های تجزیه ای برای واکنش های شیمیایی و یافتن ارتباط میان دما و واکنش، بسیار کاربردی هستند. تفاوت اصلی میان روش های TGA / DTA / DSC، اندازه گیری تغییرات در نمونه بر اساس حرارت می باشد.
نوع ترکیبات مورد آنالیز:
TGA: روش TGAمی تواند برای تجزیه مواد معدنی، فلزات، پلاستیک ها، سرامیک ها، مواد کامپوزیت و شیشه به کار رود.
DTA: از این روش برای آنالیز و بررسی خواص حرارتی مواد معدنی، ویژگی های پلیمرها و مواد بیولوژیکی استفاده می شود.
DSC: این روش برای مطالعه پروتئین ها، آنتی بادی و … مناسب است.
حالت نمونه برای روش تجزیه ای:
TGA: در این روش، نمونه باید به حالت و به شکل پودر با ذرات ریز، مورد استفاده قرار گیرد.
DTA: در این روش تجزیه ای، نمونه مورد مطالعه به حالت جامد است.
DSC: در این روش تجزیه حرارتی، نمونه به حالت مایع بوده و باید در یک حلال مناسب که مشابه با حلال مورد استفاده در محلول مرجع است، حل شود.