Introduktion
Udviklet gasanalyse (EGA) koblet til termiske analysatorer som termogravimetri (TGA) eller samtidig termisk analyse (STA), som refererer til samtidig TGA-DSC, er veletableret, da det i høj grad forbedrer værdien af TGA- eller TGA-DSC-resultater. Den følsomme og selektive Fourier Transfrom Infrafed (FT-IR) teknik er især nyttig til analyse af organiske molekyler, men også til infrarøde aktive permanente gasser, der udvikles under de fleste nedbrydningsprocesser. Sådanne permanente gasser somCO2 eller SO2 er gasformige ved omgivelsesbetingelser.
Koblingsgrænsefladen mellem termiske analysatorer og FT-IR-spektrometre realiseres normalt ved hjælp af opvarmede adaptere og en fleksibel, opvarmet overførselslinje, hvor opvarmningen er nødvendig for at undgå kondensering af udviklede gasser på vej til FT-IR-instrumentet. Selvom der findes integrerede softwareløsninger, er varme- og gasanalysatorer stadig fysisk adskilt. Vejen gennem overførselslinjen forårsager desuden en forsinkelse mellem frigivelsen og påvisningen af de udviklede gasser og i nogle tilfælde kondensation eller interaktionseffekter.
Til dette arbejde blev den nye direkte Perseus kobling af et STA-instrument og et FT-IR-spektrometer uden en overførselslinje brugt [1]. Et meget small FT-IR-spektrometer er monteret direkte oven på STA-ovnen, hvilket fører til et kompakt og fuldt integreret STA-FT-IR-koblingssystem kaldet Perseus STA 449 (se figur 1). Perseus er et nyt medlem af NETZSCH -familien af koblingssystemer, som illustreret i figur 2.
Den korte grænseflade til STA ovnen (se figur 3) samt gascellen i FT-IR spektrometeret er opvarmet for at minimere risikoen for kondensering. Desuden er der ikke brug for flydende kvælstof, da FT-IR-detektoren af DLaTGS-typen fungerer ved stuetemperatur.
Basisinstrumentet NETZSCH STA 449 F1 /F3 Jupiter® gør det muligt at måle TGA med høj opløsning og DSC eller DTA samtidigt i et bredt temperaturområde fra -150 °C til 2400 °C afhængigt af den anvendte ovn og prøvebærer.
Eksperimentel
En PTFE/grafit-forbindelse med en indledende prøvemasse på 11,54 mg blev målt i Pt-digler med gennembrudte låg ved en opvarmningshastighed på 10 K/min. Gasatmosfæren (strømningshastighed 70 ml/min) blev skiftet fra ren argon til syntetisk luft ved 870 °C. Der blev anvendt en TGA-DSC-prøvebærer type S og en rhodium-ovn. TGA-DSC-resultaterne blev basiskorrigeret (tomme signaler blev trukket fra), og FT-IR-optagelsen blev udført med en opløsning på 4 cm-1, og der blev taget et gennemsnit af 16 scanninger for et FT-IR-spektrum, hvor en scanning tog ca. 1 sekund.
Resultater og diskussion
Perseus -koblingen er velegnet til mange anvendelser [1]. Som et eksempel vises resultaterne af den ovennævnte PTFE/grafit-forbindelse - som f.eks. kan anvendes som smøremiddel - [2]: figur 4 viser TGA-DSC-resultaterne sammen med Gram-Schmidt-kurven. Gram-Schmidt-kurven viser intensitetsændringen for hele den påviste IR-absorption. Ved ca. 349 °C (spidstemperatur) afslører DSC-signalet en EndotermEn prøveovergang eller en reaktion er endoterm, hvis der er brug for varme til omdannelsen.endoterm effekt, som skyldes Smeltetemperaturer og entalpierEt stofs fusionsenthalpi, også kendt som latent varme, er et mål for den energitilførsel, typisk varme, der er nødvendig for at omdanne et stof fra fast til flydende tilstand. Et stofs smeltepunkt er den temperatur, hvor det skifter tilstand fra fast (krystallinsk) til flydende (isotropisk smelte).smeltning af PTFE-indholdet. Mellem ca. 480 °C og 620 °C sker der et massetab på 97,4 % sammen med en EndotermEn prøveovergang eller en reaktion er endoterm, hvis der er brug for varme til omdannelsen.endoterm DSC-effekt og en top i Gram-Schmidt-signalet. I dette område sker der en pyrolytisk NedbrydningsreaktionEn nedbrydningsreaktion er en termisk induceret reaktion af en kemisk forbindelse, der danner faste og/eller gasformige produkter. nedbrydning af PTFE-indholdet. Ved 870 °C blev gasatmosfæren ændret fra inert til oxidativ, hvilket førte til en EksotermEn prøveovergang eller en reaktion er eksoterm, hvis der udvikles varme.eksoterm udbrænding af grafitindholdet på ca. 2,1 %. Restmassen på ca. 0,6 % skyldes sandsynligvis et keramisk fyldstof.
"3D-terningen" i figur 5 viser IR-absorptionen som en funktion af bølgetal og temperatur sammen med TGA-kurven. Under det første massetabstrin kan de velkendte absorptionsbånd af tetrafluorethylen, C2F4, primært identificeres i området mellem 1100 cm-1 og 1400 cm-1 (samt spor af HF i området mellem 4000 cm-1 og 4200 cm-1). De bånd, der blev opdaget under det andet massetabstrin, primært i området mellem 2200 cm-1 og 2400 cm-1, kan tilskrivesCO2 dannet under forbrændingen. Endelig viser figur 6 de karakteristiske integrationsspor for C2F4 ogCO2 som en funktion af temperaturen, hvilket igen viser en fremragende sammenhæng mellem massetabstrin og udviklede gasser.
Konklusion
Det præsenterede eksempel viser, at Perseus giver mulighed for samtidig registrering af TGA og DSC og samtidig påvisning af de udviklede gasser ved hjælp af FT-IR. De samlede STA-FT-IR-resultater giver mulighed for kvantificering og identifikation af hver enkelt prøvekomponent, da oprindeligt uidentificerede gasser ofte kan identificeres ved hjælp af en databasesøgning [1]. Der blev vist en meget god sammenhæng mellem de påviste massetabstrin og de udviklede gasser, hvilket er en fordel ved den direkte koblingsgrænseflade. Alt i alt er den nye Perseus STA 449 F1 /F3 en højtydende, direkte STA-FT-IR-kobling uden nogen overførselslinje, der især skiller sig ud i kraft af sin kompakthed.