سطح مقاله
نویسندگان
مرتضی دیلمی نژاد
(نویسنده اول)
صابر زارع
(نویسنده دوم)
محسن سروری
(نویسنده مسئول)
امتیاز کاربران
معرفی روش آنالیز توزین حرارتی و مشتق توزین حرارتی
از تکنیکهای مبتنی بر روش آنالیز حرارتی مواد (Thermal Analysis; TA) میتوان به آنالیز توزین حرارتی یا تجزیه گرماوزنی (Thermogravimetric Analysis; TGA) و مشتق توزین حرارتی (Derivative Thermogravimetry; DTG) اشاره نمود. در روش آنالیز توزین حرارتی، جرم نمونه در یک اتمسفر کنترل شده به طور پیوسته برحسب دمای اعمال شده به سیستم یا مدت زمان اعمال دما (در حالی که دما برحسب زمان به صورت خطی افزایش مییابد) ثبت می شود. به عبارت دیگر، نمودار حاصل از این روش نشاندهنده تغییرات جرم ماده بهعنوان تابعی از دما یا زمان خواهد بود. درحالیکه در روش مشتق توزین حرارتی، مشتق منحنی تغییرات جرم بر حسب دما مورد بررسی قرار میگیرد. در این مقاله به بررسی این دو روش، کاربردها و جزییات دستگاهی آنها پرداخته خواهد شد.
1- آنالیز توزین حرارتی
این روش سادهترین روش آنالیز حرارتی است و اساس آن بر اندازهگیری تغییرات جرم نمونه در هنگام حرارتدهی میباشد. این روش بهخصوص در مواردی که ماده در هنگام گرمایش، تجزیه شود و یا با محیط گازی اطراف خود واکنش کند، اطلاعات مفیدی را ارائه خواهدکرد. دستگاه توزین حرارتی دارای یک ترازوی الکترونیکی حساس است که تغییر جرم نمونه را بر اساس تغییر جریان الکتریکی القاء شده در یک سیم پیچ اندازهگیری میکند.
تکنیک توزین حرارتی (Thermogravimetry; TG) در واقع تکنیکی است که در آن تغییرات جرم ماده بعنوان تابعی از دما یا زمان ثبت میشود. نمودار حاصل از این روش تحت عنوان ترموگرام (Thermogram) یا نمودار تجزیه (تخریب) گرمایی (Thermal Decomposition Curve) شناخته میشود. همچنین لازم به ذکر است که در روشهای مبتنی بر آنالیز حرارتی، نمونه تحت تاثیر یک برنامه دمایی کنترل شده و در یک جو کنترل شده قرار می-گیرد. البته بایستی توجه داشت که در تکنیک توزین حرارتی همواره جرم نمونه کاهش پیدا نمیکند و در مواردی نیز جرم نمونه در اثر جذب یا اکسید شدن، افزایش مییابد. شکل 1 نشاندهنده ساختار منحنی ترموگرام حاصل از این تکنیک میباشد. همانطور که اشاره شد، محور عمودی در این نمودار نشاندهنده وزن یا درصدوزنی و محور افقی نیز نشاندهنده زمان یا دما میباشد.
شکل 1- ساختار منحنی آنالیز توزین حرارتی (TGA)
از این منحنیها به دو صورت میتوان استفاده کرد: یکی تعیین دمای آغاز و پایان رویدادهای حرارتی (با استفاده از محور افقی نمودار) و دیگری هم مقدار تغییر جرم برای هر مرحله (با استفاده از محور عمودی نمودار) که به صورت درصد بیان میشود. طبیعی است که دماهای آغازین و پایانی هر رویداد حرارتی، در منحنیهای توزین حرارتی وابسته به شرایط آزمایش و همچنین ماهیت نمونه هستند. منحنیهای توزین حرارتی از چپ به راست نمایش داده میشوند و مانند آنچه که در شکل 2 نشان داده شده است، روند کاهشی در نمودار حاکی از کاهش وزن میباشد.

شکل 2- یک نمودار ترموگرام نوعی؛ روند نزولی در نمودار فوق به دلیل کاهش وزن در اثر تجزیه شدن نمونه اولیه است.
ترکیبات زیادی را میتوان توسط روش آنالیز توزین حرارتی مورد بررسی قرار داد. این ترکیبات با توجه به فرایندی که تحت تاثیر دما بر روی آنها اتفاق میافتد، دچار افزایش یا کاهش وزن خواهند شد. جدول 1 فرایندهای متداولی که مسبب افزایش و کاهش وزن نمونه هستند، را نشان میدهد.
جدول 1- فرایند هایی که موجب افزایش یا کاهش وزن نمونه در آنالیز توزین حرارتی میشوند
متداولترین انواع روشهای توزین حرارتی که بیشترین کاربرد را پیدا کردهاند (بر اساس نوع برنامه دمایی اعمال شده) و در شکل 3 نیز ترموگرام آنها قابل مشاهده است، عبارتند از: الف) توزین حرارتی همدما (Isothermal Thermogravimetry) که در آن جرم نمونه بهصورت تابعی از زمان در دمای ثابت ثبت میشود، ب) توزین حرارتی شبه همدما (Quasi-Isothermal Thermogravimetry) که در آن دمای نمونه تا رسیدن به یک جرم ثابت در هر مرحله افزایش مییابد، ج) توزین حرارتی پویا (Dynamic Thermogravimetry) که در آن نمونه در شرایطی قرار میگیرد که دمای آن بصورت کنترل شده (بیشتر بصورت خطی) تغییر میکند. از میان این روشها، آنچه که بیشتر بهعنوان توزین حرارتی شناخته میشود، مورد سوم یعنی توزین حرارتی پویا می باشد.
منابـــع و مراجــــع
[1] M. E. Brown, Chapman and Hall, “Introduction to Thermal Analysis: Techniques and Applications”, 1988
[2] J. W. Dodd and K. H. Tonge, “Thermal Methods”, John Wiley & Sons, 1987
[3] Wesley Wm., Wendlant, “Thermal Analysis, third edition”, John Wiley & Sons.
[4] Patrick K. Gallagher, “Handbook of Thermal Analysis and Calorimetry”, ELSEVIER.
[5] Skoog. Holler and Crouch, “Principles of Instrumental Analysis”, 6th edn., Thomson.