Προσδιορισμός της απορρόφησης νερού και προσδιορισμός της περιεκτικότητας σε υγρασία με θερμοβαρυμετρική ανάλυση

Το νερό είναι ένα από τα σημαντικότερα στοιχεία που επηρεάζουν το κλίμα μας. Η ατμόσφαιρά μας είναι γεμάτη με νερό. Μπορεί να μην μπορούμε πάντα να το βλέπουμε, αλλά αλληλεπιδρά με εμάς και τα υλικά μας.

Ένα από τα πιο γνωστά παραδείγματα της υγρασίας στην καθημερινή μας ζωή μπορεί να παρατηρηθεί όταν βγάζουμε ένα μπουκάλι νερό από την κατάψυξη μια ζεστή καλοκαιρινή μέρα. Σχεδόν αμέσως, εμφανίζονται σταγόνες νερού στην επιφάνεια του μπουκαλιού νερού. Αυτές οι σταγόνες νερού είναι το αποτέλεσμα συμπυκνωμένων υδρατμών από την ατμόσφαιρα.

Είμαστε περιτριγυρισμένοι από νερό

Η υγρασία δεν εμφανίζεται μόνο στην καθημερινή μας ζωή, αλλά επηρεάζει και τα υλικά προκαλώντας φυσικές και χημικές αλληλεπιδράσεις.

Μια φυσική αλληλεπίδραση μπορεί να είναι η απορρόφηση του νερού, η οποία οδηγεί στη διαστολή των υλικών. Εάν μια ουσία ή ένα υλικό αντιδράσει με το νερό, σχηματίζεται μια νέα ένωση. Το πιο χαρακτηριστικό παράδειγμα μιας τέτοιας χημικής αντίδρασης είναι η διάβρωση του χάλυβα.

Ως αποτέλεσμα, η αλληλεπίδραση του νερού με τα υλικά έχει ως αποτέλεσμα αλλαγές στις ιδιότητες (π.χ. μειωμένη σταθερότητα λόγω διάβρωσης) και/ή αλλαγές στην εμφάνιση ή οπτικές αλλαγές (π.χ. ραβδώσεις υγρασίας σε εξαρτήματα χύτευσης με έγχυση).

Σχήμα 2: Μειωμένη σταθερότητα λόγω διάβρωσης (αριστερά) και ραβδώσεις υγρασίας (δεξιά)

Πρακτικά: Μετρήσεις TGA σε υγρή ατμόσφαιρα

Τι είναι η θερμοβαρυμετρία

Η θερμοβαρυμετρική ανάλυση είναι μια μέθοδος θερμικής ανάλυσης κατά την οποία η μάζα ενός δείγματος μετράται με την πάροδο του χρόνου καθώς μεταβάλλεται η θερμοκρασία. Η μέτρηση αυτή παρέχει πληροφορίες σχετικά με φυσικά φαινόμενα, όπως μεταβάσεις φάσεων, απορρόφηση και εκρόφηση, καθώς και χημικά φαινόμενα, όπως θερμική αποσύνθεση και αντιδράσεις στερεού-αερίου (π.χ. οξείδωση ή αναγωγή).

Ένα παράδειγμα από τον τομέα των πολυμερών

Στόχος της ανάλυσης που ακολουθεί ήταν ο προσδιορισμός της μεταβολής της μάζας του υλικού σε υγρή ατμόσφαιρα. Ως εκ τούτου, ένα STA 449 F3 Jupiter^® ήταν εξοπλισμένο με μια γεννήτρια υγρασίας που παράγει ένα καθορισμένο επίπεδο υγρασίας αναμειγνύοντας ροή υγρού και ξηρού αερίου.

Το πείραμα διεξήχθη σε ένα δείγμα φύλλου 250μm από πολυαμίδιο 6 με βάρος 108,28 mg. Η θερμοκρασία διατηρήθηκε σταθερή στους 40 °C και κατά τη διάρκεια του προγράμματος θερμοκρασίας πραγματοποιήθηκαν βήματα υγρασίας 25 % (μπλε καμπύλη στο σχήμα 3).

Σχήμα 3: Ανάλυση δείγματος πολυμερούς με STA σε σταθερή θερμοκρασία 40 °C και βαθμίδες υγρασίας 25 %

Στο σχήμα 3, η πράσινη καμπύλη αντιπροσωπεύει τη μεταβολή της μάζας. Σε κάθε βήμα υγρασίας, υπάρχει απόκριση από το δείγμα καθώς αυξάνεται η μάζα του. Το δείγμα απορροφά νερό και η περιεκτικότητά του σε υγρασία αυξάνεται με την περιεκτικότητα σε υγρασία της περιβάλλουσας ατμόσφαιρας.

Επιπλέον, η διαδικασία απορρόφησης εξαρτάται από το χρόνο. Αυτό σημαίνει ότι υπάρχουν κινητικές επιδράσεις, οι οποίες μπορούν επίσης να αναλυθούν. Ο συντελεστής διάχυσης του υλικού μπορεί να προσδιοριστεί με τη βοήθεια της διάταξης υγρασίας.

Το παράδειγμα δείχνει ότι η TGA ως τυπική μέθοδος είναι χρήσιμη για τον προσδιορισμό των φυσικών αλληλεπιδράσεων των υλικών με την υγρασία. Επιπλέον, είναι δυνατός ο προσδιορισμός της ποσοτικής τιμής του περιεχομένου απορρόφησης νερού.

Μια εφαρμογή από τον τομέα των ανόργανων ουσιών

Στην παρούσα εφαρμογή, ο ζεόλιθος διερευνήθηκε με ένα STA 449 F3 Jupiter^®υπό υγρή ατμόσφαιρα. Ο ζεόλιθος είναι ένα υλικό απορρόφησης που μπορεί να χρησιμοποιηθεί για τον καθαρισμό ροών αερίων ή για την απορρόφηση νερού σε ορισμένους χώρους και περιοχές.

Για να εξεταστεί η απόδοση του ζεόλιθου, πραγματοποιήθηκαν δύο κύκλοι απορρόφησης/απορρόφησης σε σταθερή θερμοκρασία 20 °C και σχετική υγρασία 10 %.

Σχήμα 4: Ανάλυση δείγματος ζεόλιθου με STA σε σταθερή θερμοκρασία 20°C και σχετική υγρασία 10%

Πρώτον, παρατηρείται αύξηση της μάζας καθώς εφαρμόζεται υγρή ατμόσφαιρα στο δείγμα. Το υλικό προσλαμβάνει μια ορισμένη ποσότητα νερού η οποία, με τη σειρά της, αυξάνει τη μάζα του. Στη ροή ξηρού αερίου, το υλικό απελευθερώνει νερό. Ο πρώτος κύκλος λειτουργεί ως κύκλος δοκιμής για τη δοκιμή της μέγιστης ικανότητας απορρόφησης.

Οι κύκλοι μπορούν να επαναληφθούν μερικές φορές για να δοκιμαστεί η σταθερότητα του κύκλου του υλικού. Μετά την πρώτη ενεργοποίηση, η απελευθέρωση νερού είναι ελαφρώς μικρότερη, πράγμα που σημαίνει ότι το υλικό είναι σχετικά σταθερό στην εφαρμογή του με απορρόφηση νερού περίπου 26%.

Τα δύο παραδείγματα του προσδιορισμού της απορρόφησης νερού και του προσδιορισμού της περιεκτικότητας σε νερό δείχνουν ότι η θερμοβαρυτομετρική ανάλυση είναι μια κατάλληλη μέθοδος για την ανάλυση των επιπτώσεων της υγρασίας σε ένα υλικό ή μια ουσία.

Στα επόμενα άρθρα του ιστολογίου θα δοθεί ιδιαίτερη έμφαση στην επίδραση του νερού στις μηχανικές ιδιότητες και στον προσδιορισμό της επιμήκυνσης των υλικών λόγω της απορρόφησης νερού.

Ακολουθήστε μας στο LinkedIn!
_{Διαβάστε πρώτοι τα νέα άρθρα!}