تحليل TGA

مقدمة لتحليل TGA و DTG (الوزن الحراري ومشتقات الوزن الحراري)

يشير التحليل الحراري للمواد إلى الطرق التي يمكننا من خلالها التحقق من التغيير في الخصائص الفيزيائية للمادة عن طريق تغيير درجة الحرارة. تظهر أهمية طرق التحليل الحراري للمواد نفسها في فحص التغيير في سلوك المادة مع التغيرات في درجات الحرارة. في كثير من الحالات ، يمكن إستخدام هذه الطريقة كطريقة تكميلية إلى جانب طرق مثل تحليل XRD والدراسات المجهرية مثل الفحص المجهري الإلكتروني (SEM) ومجهر إلكتروني نافذ (TEM).

إحدى طرق التحليل الحراري المعتمدة على التغيير في وزن المادة هي تحليل TGA (تحليل الوزن الحراري) وتحليل DTG (مشتق الوزن الحراري) ، والتي سنبحثها في هذه المقالة.

ما هو تحليل TGA – التحليل الحراري الوزني (TGA)؟

تحليل التحليل الحراري الوزني (TGA) هو إحدى طرق التحليل الحراري ، والذي يعتمد على التغيير في كتلة (أو وزن) المادة عند تسخين المادة. تكون هذه الطريقة فعالة عندما تتحلل المادة قيد الاختبار أو تتفاعل مع محيطها.

أساس هذه الطريقة هو أنه من خلال وضع العينة داخل البوتقة ، يتم فحص تغيرات وزن العينة. يمكن أن تكون هذه البوتقة مصنوعة من البلاتين (Pt) أو الألومينا (Al2O3). توضع هذه العينة معلقة داخل الفرن. يتم تسخين هذا الفرن ببرنامج محدد. يتم توصيل نهاية السلك بنواة مغناطيسية تدخل وتخرج من أسطوانة الملف بسبب التغير في وزن العينة.

وفقًا لحركة هذه النواة ، يتم إحداث تيار كهربائي يتوافق مع التغيير في وزن العينة في الملف وبعد تضخيمه ، سيتم إرساله إلى جزء التسجيل. يتم قياس درجة حرارة العينة أيضًا بواسطة مزدوج حراري بالقرب من البوتقة حيث توجد العينة. في جزء التسجيل ، التيار المستحث في الملف ، والذي يتناسب مع التغير في وزن العينة ، والمحور الرأسي والتيار الكهربائي المتولد في المزدوجات الحرارية ، كمحور أفقي ، ارسم منحنى التغيير في وزن العينة من حيث التغيرات في درجات الحرارة.

يتم الإبلاغ عن نتائج اختبار الوزن الحراري في شكل منحنى يتغير وزن العينة وفقًا لتغيرات درجة الحرارة. يمكن الإبلاغ عن النتائج التي تم الحصول عليها من هذه المنحنيات بطريقتين:

• تحديد درجة حرارة البداية والنهاية لكل حدث حراري في كل مرحلة من مراحل تغير الوزن ، والتي تظهر على شكل درجة الحرارة الأولية (Ti) ودرجة الحرارة النهائية (Tf).
• مقدار خسارة الوزن لكل حدث مكتوب كنسبة مئوية.

رسم بياني لتغيرات وزن العينة مع تغيرات درجة الحرارة في تحليل الوزن الحراري

تعتمد درجات حرارة البداية والنهاية في كل حدث في فحص التحليل الحراري الوزني (TGA) على ظروف الاختبار. أهم العوامل التي تؤثر على درجات الحرارة الأولية والنهائية للعملية هي:

• سرعة التسخين
• بيئة الفرن
• ميزات العينة
• شكل ومادة مكان العينة

هناك عامل آخر يؤثر على النتائج التي تم الحصول عليها من فحص التحليل الحراري الوزني (TGA) وهو نوع وشكل العينة. يعتمد التوازن الحراري للعينة بشكل أساسي على التبادل الحراري مع العينة ، وبالتالي يمكن أن يؤثر شكل ومادة العينة على درجات حرارة البداية والنهاية للتفاعل. عادة ما يتم اختيار مادة الجسم من السيراميك أو المواد المعدنية.

عامل آخر فعال هو شكل العينة. عادة يتم اختيار صينية مسطحة أو أسطوانية. وتجدر الإشارة إلى أن خصائص العينة غير المعروفة مثل شكل وحجم جزيئات المسحوق وكمية العينة تلعب أيضًا دورًا مهمًا في نتائج تحليل الوزن الحراري. تؤثر هذه العوامل على التوازن الحراري للمادة ويمكن أن تغير درجات الحرارة الأولية والنهائية للتفاعل.

يعد تأثير كثافة العينة على التوصيل الحراري عاملاً فعالاً آخر يؤثر على نتيجة الاختبار.

مكونات جهاز تحليل الوزن الحراري

في هذا القسم ، لمعرفة المزيد حول مكونات الجهاز ، قدمنا لك مثالاً لجهاز فحص التحليل الحراري الوزني (TGA) ، مفصولاً بمكوناته:

مكونات جهاز تحليل الوزن الحراري

يعتمد فحص التحليل الحراري الوزني (TGA) في قياس الكتلة ودرجة الحرارة وتغيرات درجة الحرارة إلى حد كبير على دقة جهاز القياس. يتم فحص التغيرات في كتلة العينة بسبب الحرارة باستخدام ميزان حراري (Thermo-Balance). تتمثل ميزة هذا المقياس في أنه بالإضافة إلى الوزن ، يمكنه أيضًا إجراء عمليات تبريد وتسخين للعينة.

يجب وضع الميزان في الغرفة بطريقة يمكن التحكم في غلافها الجوي. يمكننا توفير هذا الغلاف الجوي عن طريق نفخ غاز خامل مثل الأرجون (Ar) لمنع التفاعلات والأكسدة غير المرغوب فيها.

مكونات جهاز تحليل الوزن الحراري هي كما يلي:

۱٫       مقاييس

يمكن تصميم المقاييس المستخدمة في تحليل التحليل الحراري الوزني (TGA) على هيئة موازين معدنية أو صقر أو مساطر شبيهة بالتأرجح. يمكن أن تعمل المقاييس المستخدمة في هذه الطريقة بآليات مختلفة. بناءً على دقة القياس في المقاييس المستخدمة ، يمكن تقسيمها إلى ثلاث فئات: (Semi-micro) بدقة 10 ميكروغرام ، وميكرو(micro) بدقة 1 ميكروغرام ، وفائق الصغر (Ultra-micro) بدقة 0/0. 1 ميكروجرام.

يمكن أن تعتمد آليات الوزن في هذه الطريقة على قياس الانحراف أو بدون انحراف في المقياس. إذا تم إصلاح الميزان ، تكون العينة في مكان ثابت ويتم قياس الوزن يتغير بسبب التسخين.

ولكن إذا كان المقياس يتحرك ، مع تغيير في وزن العينة ، فهناك تغيير في الجزء السفلي من المقياس ، يتم اكتشافه بواسطة مستشعر الموضع.

۲٫       فرن تسخين

في العديد من الموازين الحرارية التقليدية ، هناك ثلاثة أوضاع مختلفة بالنسبة للفرن. هذا مهم جدًا في الفرن ، حيث يجب أن يولد الحرارة بالتساوي. عادة ما تستخدم الدروع الإشعاعية لمنع انتقال الحرارة إلى الميزان.

۳٫       عينة

المواد الصلبة ذات التركيبات الكيميائية المتشابهة لها اختلافات هيكلية مثل الفراغات والعيوب الهيكلية. لذلك ، قد تظهر العينات المختبرة اختلافات كبيرة في سلوكها أثناء التسخين.

يجب أن يكون للعينات المستخدمة في تحليل التحليل الحراري الوزني (TGA) حجم معين. إذا تم اختيار العينة بأكثر من حد معين ، فلن يتم زيادة أو نقصان درجة حرارة العينة أثناء نقل الحرارة بشكل موحد. أيضًا ، يتم أيضًا تقليل تبادل الغازات في الغلاف الجوي حول العينة. على الرغم من هذه العوامل ، لا يمكننا تكرار التجربة وسيحدث خطأ في النتائج. لذلك ، فإن أفضل حالة هي وضع العينات كطبقة مسحوق في العينة.

۴٫       غرفة التنسيب العينة

يمكن أن تكون حاوية العينة مصنوعة من مواد مختلفة. البلاتين من أفضل المواد المستخدمة في صناعة العلب. لأنه خامل للعديد من الغازات والمعادن وله درجة حرارة انصهار عالية.

كما أن لحجم ، ومادة ، وهندسة الغرفة تأثير مهم على النتائج التي تم الحصول عليها من التحليل. بالطبع ، الغرفة المختارة تعتمد على حجم وطبيعة العينة ودرجة حرارة التحليل.

الكوارتز (SiO2) ، الألومينا (Al2O3) ، الجرافيت ، الألمنيوم ، الفولاذ وحتى الزجاج هي عناصر أخرى يمكننا استخدامها في العلبة.

تحليل DTG (الترجيح الحراري المشتق)

عند إجراء تحليل التحليل الحراري الوزني (TGA) ، إذا كانت درجات حرارة حدثين حراريين قريبين من بعضهما البعض ، فسيكون من الصعب فصلهما عن بعضهما البعض في منحنى تغيرات الوزن من حيث درجة الحرارة. من ناحية أخرى ، في منحنيات التحليل الحراري الوزني (TGA) ، لا يمكننا بسهولة تحديد درجات حرارة البداية والنهاية لحدث حراري.

كل هذه المشاكل تجعلنا ، بإضافة جزء إلكتروني إلى جهاز التحليل الحراري الوزني (TGA) ، نرسم مشتق منحنى الوزن بدلالة درجة الحرارة ، ونطلق عليه تحليل DTG أو تحليل مشتق الوزن الحراري.

كما ذكرنا سابقًا ، فإن إحدى طرق عرض المنحنيات الناتجة عن الوزن الحراري هي المنحنى المشتق للوزن الحراري. في هذه الطريقة ، يتم اشتقاق إشارة الخرج من المقياس إلكترونيًا ويتم تحليل الرسم البياني الناتج. في هذا المنحنى ، يمثل الحد الأقصى للرسم البياني نقطة تحول في منحنى تحليل التوزین الحراري.

مقارنة الرسوم البيانية لتحليل الوزن الحراري وتحليل مشتق الوزن الحراري

إحدى مزايا هذا المنحنى هي كما يلي:

أحيانًا نرى مرحلة واحدة فقط في الرسم البياني للرسم البياني الحراري (بمعنى أن مادة واحدة انفصلت عن العينة) ، سيظهر منحنى المشتق ما إذا كان هذا هو الحال بالفعل!

نظرًا لتشتت التفاعل في نطاق واسع من درجات الحرارة ، يُنظر إلى قمة منحنى المشتق الحراري على أنها واسعة. كلما زادت الزيادة أو النقصان في الوزن باستخدام منحدر أكثر انحدارًا في الرسم البياني للوزن الحراري ، كلما كانت قمة مشتقها أضيق.

بالإضافة إلى ذلك ، فإن المنطقة الواقعة تحت ذروة مخطط مشتق الترجيح الحراري تتناسب أيضًا مع الزيادة أو النقص في كتلة العينة. لذلك يمكن استخدامه كتقليل أو زيادة في الكتلة النسبية. على الرغم من أن استخدام ارتفاع القمة كافٍ أيضًا في بعض التطبيقات.

مشاكل وقيود فحص التحليل الحراري الوزني (TGA)

• في طريقة التحليل الحراري هذه ، تطفو حجرة الاحتفاظ بالعينة في بيئة الغاز. لذلك ، فإن القوة المؤثرة على هذه الغرفة تعتمد على درجة الحرارة والضغط ونوع الغاز. لذلك ، يجب تصحيح هذا التأثير في ظروف مختلفة.
• في ظروف درجات الحرارة المنخفضة والضغط ، يتم تسامي بعض المواد في العينة وترسيبها عن طريق التكثيف في المنطقة الباردة للفرن ، مما يؤدي في النهاية إلى حدوث مشكلات في تشغيل الفرن.
• من خلال إجراء الاختبار بشكل متكرر ، ستفقد المزدوجة الحرارية للجهاز دقتها تدريجيًا. لذلك ، يجب فحص الجهاز ومعايرته بانتظام.
• كما ذكرنا سابقًا ، فإن محلل التحليل الحراري الوزني (TGA) دقيق للغاية. هذا المقياس حساس جدًا لنسبة التأثير والضغط. لذلك ، يجب أن تكون حذرًا جدًا عند إجراء الاختبار.

تطبيقات فحص التحليل الحراري الوزني (TGA)

• دراسة تفاعلات الحالة الصلبة
• القدرة على دراسة وتحديد معدل تبخر وتسامي وتقطير المواد
• تحديد الرطوبة والمواد المتطايرة ورماد المواد
• التحقيق في تآكل المعادن في البيئات ودرجات الحرارة المختلفة
• دراسة التحلل الحراري للمواد المعدنية والعضوية والمعدنية
• التحقيق في عملية تكليس المعادن
• دراسة الانحلال الحراري للفحم والخشب ومشتقات البترول

استنتاج

في هذا المنشور ، جرت محاولة لمراجعة ووصف تحليل الوزن الحراري (TGA) ومشتقاته (DTG) كأحد طرق التحليل الحراري للمواد. تعتبر هذه الطريقة من أبسط الطرق في موضوع التحليل الحراري للمواد ، والتي تعتمد على قياس التغير في وزن المادة أثناء التسخين. الدقة والحساسية والمبادئ البسيطة التي تحكم هذه الطريقة، جعلت هذه الطريقة تستخدم لدراسة العديد من المواد في مجال هندسة المواد ، والتعدين الاستخراجي ، وهندسة التعدين ، والهندسة الكيميائية ، إلخ.

جمیع التحلیلات