مقدمة
إن تحليل الغاز المتطور (EGA) المقترن بأجهزة التحليل الحراري مثل قياس الثقل الحراري (TGA) أو التحليل الحراري المتزامن (STA) الذي يشير إلى التحليل الحراري المتزامن TGA-DSC راسخ بشكل جيد لأنه يعزز بشكل كبير من قيمة نتائج TGA أو TGA-DSC. وتُعد تقنية فورييه ترانسفروم الأشعة تحت الحمراء (FT-IR) الحساسة والانتقائية مفيدة بشكل خاص لتحليل الجزيئات العضوية ولكن أيضًا للغازات الدائمة النشطة بالأشعة تحت الحمراء التي تتطور أثناء معظم عمليات التحلل. وتكون هذه الغازات الدائمة مثل ثاني أكسيد الكربون أو ثاني أكسيد الكبريت غازية في الظروف المحيطة.
وعادةً ما يتم تحقيق واجهة الاقتران بين أجهزة التحليل الحراري ومطياف الأشعة تحت الحمراء FT-IR باستخدام محولات ساخنة وخط نقل مرن ومسخن حيث تكون التسخين مطلوبًا لتجنب تكثف الغازات المتطايرة في الطريق إلى جهاز الأشعة تحت الحمراء FT-IR. على الرغم من توفر حلول برمجية متكاملة، لا تزال أجهزة التحليل الحراري والغازات منفصلة ماديًا. علاوةً على ذلك، يتسبب المسار عبر خط النقل في حدوث تأخير بين إطلاق الغازات المتطايرة واكتشافها وفي بعض الحالات حدوث تكاثف أو تأثيرات تفاعلية.
في هذا العمل، تم استخدام اقتران بيرسيوس المباشر الجديد لجهاز STA ومطياف الأشعة تحت الحمراء FT-IR بدون خط نقل [1]. تم تركيب مطياف صغير جدًا يعمل بالأشعة تحت الحمراء والأشعة تحت الحمراء FT-IR مباشرةً فوق فرن STA مما يؤدي إلى نظام اقتران STA-FT-IR مدمج ومتكامل تمامًا يسمى Perseus STA 449 (انظر الشكل 1). Perseus هو عضو جديد في عائلة NETZSCH لأنظمة الاقتران كما هو موضح في الشكل 2.
يتم تسخين الواجهة القصيرة للفرن STA (انظر الشكل 3) وكذلك خلية الغاز في مطياف الأشعة تحت الحمراء FT-IR من أجل تقليل خطر التكثيف. وعلاوة على ذلك، لا يلزم وجود نيتروجين سائل لأن كاشف الأشعة تحت الحمراء FT-IR من نوع DLaTGS يعمل في درجة حرارة الغرفة.
يمكّن الجهاز الأساسي NETZSCH STA 449 F1 /F3 Jupiter® من قياس TGA عالي الدقة و DSC أو DTA في وقت واحد في نطاق درجة حرارة واسعة تتراوح من -150 درجة مئوية إلى 2400 درجة مئوية اعتمادًا على الفرن وحامل العينة المستخدم.
تجريبي
تم قياس مركب PTFE/جرافيت بكتلة عينة أولية قدرها 11.54 مجم في بوتقات Pt ذات أغطية مثقوبة بمعدل تسخين 10 كلفن/دقيقة. تم تبديل جو الغاز (معدل التدفق 70 مل/الدقيقة) من الأرجون النقي إلى الهواء الاصطناعي عند درجة حرارة 870 درجة مئوية. تم استخدام حامل عينة TGA-DSC من النوع S وفرن الروديوم. تم تصحيح نتائج TGA-DSC (تم طرح إشارات التشغيل الفارغة) وتم إجراء عملية الحصول على الأشعة تحت الحمراء بالأشعة تحت الحمراء بالأشعة تحت الحمراء بدقة 4 سم-1 وتم حساب متوسط 16 عملية مسح لطيف واحد للأشعة تحت الحمراء بالأشعة تحت الحمراء بالأشعة تحت الحمراء حيث استغرق المسح الواحد حوالي 1 ثانية.
النتائج والمناقشة
اقتران بيرسيوس مناسب تمامًا للعديد من التطبيقات [1]. وكمثال على ذلك، تُعرض النتائج على مركب PTFE/الجرافيت المذكور أعلاه - والذي يمكن، على سبيل المثال، استخدامه كمادة تشحيم [2]: يوضح الشكل 4 نتائج TGA-DSC مع منحنى جرام-شميت. يصور منحنى جرام-شميت التغير في شدة الامتصاص الكامل للأشعة تحت الحمراء المكتشفة. عند درجة حرارة 349 درجة مئوية تقريبًا (درجة حرارة الذروة)، تكشف إشارة DSC عن تأثير ماص للحرارة ناتج عن ذوبان محتوى PTFE. وبين حوالي 480 درجة مئوية و620 درجة مئوية، تحدث خطوة فقدان الكتلة بنسبة 97.4% مع تأثير ماص للحرارة في التذبذب الحراري المانع للحرارة وذروة في إشارة غرام-شميت. في هذا النطاق، يحدث التحلل الحراري لمحتوى PTFE. عند درجة حرارة 870 درجة مئوية، يتحول جو الغاز من خامل إلى مؤكسد، مما يؤدي إلى احتراق طارد للحرارة لمحتوى الجرافيت بنسبة 2.1% تقريبًا. من المحتمل أن تكون الكتلة المتبقية التي تبلغ حوالي 0.6% ناتجة عن حشو السيراميك.
يُظهر "المكعب ثلاثي الأبعاد" المعروض في الشكل 5 الامتصاص بالأشعة تحت الحمراء كدالة لرقم الموجة ودرجة الحرارة، إلى جانب منحنى TGA. خلال خطوة فقدان الكتلة الأولى، يمكن تحديد نطاقات الامتصاص المعروفة لرباعي فلورو الإيثيلين، C2F4، في المقام الأول في النطاق بين 1100 سم-1 و1400 سم-1 (وكذلك آثار HF في النطاق بين 4000 سم-1 و4200 سم-1). يمكن أن تعزى النطاقات المكتشفة خلال خطوة فقدان الكتلة الثانية، في المقام الأول في النطاق بين 2200 سم-1 و2400 سم-1، إلى ثاني أكسيد الكربون المتكون أثناء الاحتراق. وأخيرًا، يصور الشكل 6 آثار التكامل المميزة ل C2F4وCO2 كدالة لدرجة الحرارة التي تُظهر مرة أخرى ارتباطًا ممتازًا بين خطوات فقدان الكتلة والغازات المتطورة.
الخاتمة
يوضح المثال التطبيقي المقدم أن Perseus يسمح بالتسجيل المتزامن لـ TGA وDSC، وفي الوقت نفسه، الكشف عن الغازات المتطايرة عن طريق الأشعة تحت الحمراء FT-IR. وتسمح نتائج STA-FT-IR الكاملة بتحديد كمية وتحديد كل مكون من مكونات العينة حيث يمكن في كثير من الأحيان تحديد الغازات غير المحددة في البداية عن طريق البحث في قاعدة البيانات [1]. وقد تبين وجود ارتباط جيد للغاية بين خطوات فقدان الكتلة المكتشفة والغازات المتطورة، وهو ما يمثل فائدة من واجهة الاقتران المباشر. وإجمالاً، فإن جهاز بيرسيوس STA 449 F1 /F3 الجديد هو جهاز اقتران مباشر عالي الأداء بين STA وSTA-FT-الأشعة تحت الحمراء بدون أي خط نقل يتميز بشكل خاص بفضل صغر حجمه.