Introducción
El tiempo de medición estimado -junto con la fiabilidad y la importancia de los resultados- suele desempeñar un papel importante en casi cualquier cuestión analítica. Cuanto más intensamente se vinculan los métodos de análisis a los procesos de producción, más importancia adquiere este aspecto. Mientras que en la investigación y el desarrollo de nuevos materiales, los tiempos de medición para la caracterización de las propiedades se programan de forma rutinaria, en el análisis durante el proceso, es la capacidad de las plantas de producción la que determina los intervalos en los que deben verificarse las propiedades y la calidad del producto. Por lo tanto, los análisis para garantizar la calidad deben realizarse a menudo en línea durante el proceso de producción, o al menos debe ser posible llevarlos a cabo en el espacio de unos pocos minutos para el control de muestreo aleatorio.
En el pasado, resultaba difícil cubrir estos ámbitos mediante el análisis térmico, ya que los análisis convencionales tardan entre 30 minutos y varias horas, en función del programa de medición. El tiempo de medición depende en primer lugar del material a analizar y/o del rango de temperatura que debe investigarse para las propiedades características del material. Los parámetros decisivos en este caso son también las velocidades de calentamiento y enfriamiento empleadas. Éstas, a su vez, dependen esencialmente del diseño constructivo de los hornos y de los instrumentos analíticos. Y aquí es donde el nuevo horno de alta velocidad establece nuevos estándares.
En los instrumentos termoanalíticos convencionales, las velocidades de calentamiento y enfriamiento oscilan entre 1 K/min y 20 K/min, mientras que el rango potencial es de 0,001 K/min a 100 K/min; el nuevo horno de alta velocidad, en cambio, permite velocidades de calentamiento de hasta 1.000 K/min. Una velocidad de calentamiento de 500 K/min ya reduce el tiempo de medición desde la temperatura ambiente hasta 1000 °C a menos de dos minutos y, por tanto, aumenta enormemente el rendimiento de la muestra.
Concepto
El nuevo horno de alta velocidad no requiere un instrumento independiente, sino que amplía la ya consolidada plataforma 400 con otro tipo de horno. El concepto de plataforma permite equipar un instrumento de medición con un dispositivo de elevación doble para dos hornos. De este modo, el horno de alta velocidad puede montarse en el dispositivo de elevación doble combinado con otros hornos. En lugar de un segundo horno, puede utilizarse opcionalmente un cambiador automático de muestras (ASC) para el horno rápido. La flexibilidad modular y, en particular, la posibilidad de combinar el horno rápido con el ASC ahorran mucho tiempo y, por tanto, se traducen directamente en un aumento del rendimiento de las muestras.
Para las series de aparatos STA 449F1 y STA 449 F3 ya están disponibles.
Configurar
La figura 2 muestra una sección transversal del horno de alta velocidad. Puede observarse que el horno de alta velocidad no difiere de los demás hornos de la plataforma 400 en lo que respecta a los principales puntos de diseño, como los cabezales de medición, la posición de la determinación de la temperatura de la muestra, el flujo de gas y la separación de las cámaras de muestra y pesaje.
La gran variedad de tipos y materiales de crisol también puede utilizarse en el horno de alta velocidad. Esto garantiza una comparabilidad ideal de los resultados de las pruebas, incluso cuando se obtienen con diferentes tipos de hornos.
El elemento calefactor real del horno de alta velocidad consiste en una malla de platino calentada por resistencia. El tubo protector separa la cámara de muestras del exterior y permite trabajar en atmósferas de muestras puras mediante evacuación e inundación de la cámara de muestras.
Resultados de las mediciones
Además de las mediciones a altas velocidades de calentamiento, también se realizaron mediciones a velocidades de calentamiento convencionales de 10 K/min y 20 K/min con el horno de alta velocidad para garantizar la comparabilidad de los resultados de los ensayos con los obtenidos utilizando otros instrumentos termoanalíticos.
La presentación de la temperatura de la muestra medida en función del tiempo en la figura 3 muestra velocidades de calentamiento lineales en el intervalo de 10 K/min a 500 K/min.
De este modo se confirmó que el horno de alta velocidad no tiene por qué limitarse a velocidades de calentamiento rápidas, sino que también es perfectamente capaz de manejar aplicaciones más convencionales.
La variación de la velocidad de calentamiento en condiciones de ensayo por lo demás idénticas desplaza los resultados hacia temperaturas más altas a medida que aumenta la velocidad de calentamiento. Se trata de una correlación bien conocida que permite además la evaluación cinética de los datos medidos mediante el software especialmente desarrollado NETZSCH Thermokinetics especialmente desarrollado.
Si la correlación entre la variación de las velocidades de calentamiento y los efectos sobre los datos medidos es conocida y puede describirse matemáticamente, las mediciones pueden llevarse a cabo rápidamente sin tener que renunciar a la trazabilidad de los datos de medición con respecto a las propiedades conocidas de las muestras, como se indica, por ejemplo, en los anuarios NETZSCH.
Tomando como ejemplo la PirólisisLa pirólisis es la descomposición térmica de compuestos orgánicos en una atmósfera inerte.pirólisis del polipropileno (PP), se señalará la dependencia de los resultados de la velocidad de calentamiento.
La figura 4 muestra inicialmente que no existen diferencias significativas en los resultados de las mediciones cuando se investiga el polipropileno en condiciones idénticas utilizando dos instrumentos termogravimétricos diferentes (TG 209 F1 y STA 449 F1 ).
Esto es digno de mención, ya que la eometría del horno y, por tanto, también las condiciones de flujo de los gases de purga son diferentes.
Además de los resultados del cambio de masa relativo (TGA), la figura 4 muestra su primera derivada, es decir, las tasas de cambio de masa, como líneas discontinuas (DTG). Al evaluar las temperaturas para las velocidades de calentamiento 10, 20, 50, 100, 200 y 500 K/min, donde la velocidad de pérdida de masa es máxima (mínimo de la curva DTG), se obtiene la dependencia de la velocidad de calentamiento de la PirólisisLa pirólisis es la descomposición térmica de compuestos orgánicos en una atmósfera inerte.pirólisis del propileno. Esto se presenta en la figura 5.
El escalado logarítmico de las velocidades de calentamiento da como resultado una línea recta, como puede verse en la figura 6. Las barras de error mostradas en las figuras 5 y 6 en la dirección y no muestran errores reales, sino que sólo representan un intervalo de confianza de ± 2,5 K.
El tratamiento térmico del carbonato cálcico (CaCO3) da lugar a una Reacción de descomposiciónUna reacción de descomposición es una reacción inducida térmicamente de un compuesto químico que forma productos sólidos y/o gaseosos. reacción de descomposición por encima de temperaturas de 600°C en la que se forman óxido de calcio (CaO) y dióxido de carbono (CO2) de acuerdo con la siguiente ecuación:
Mientras el CaO sólido permanece en el crisol de la muestra, el CO2 y el flujo de gas de purga salen del instrumento por la salida. La cantidad deCO2 acumulada puede cuantificarse como pérdida de masa.
En la figura 7 se presentan los resultados de una serie de ensayos realizada con las mismas condiciones de medición que las descritas para el PP. Los pasos de pérdida de masa no dependen de la velocidad de calentamiento; las temperaturas de Reacción de descomposiciónUna reacción de descomposición es una reacción inducida térmicamente de un compuesto químico que forma productos sólidos y/o gaseosos. descomposición (mínimo DTG) se desplazan a temperaturas más altas a medida que aumenta la velocidad de calentamiento.
La tasa de pérdida de masa aumenta de 5,1%/min a 128,8%/ min cuando la velocidad de calentamiento se incrementa de 10 K/min a 500 K/min (Figura 8).
Esto demuestra que la influencia de la velocidad de calentamiento en los resultados de la medición sigue una ley trazable.
Esta relación es decisiva para la comparación de los resultados de medición que se determinaron con diferentes velocidades de calentamiento.
Los materiales de productos como las pastillas de freno pueden analizarse ahora en condiciones de funcionamiento. Durante el frenado, la energía cinética se transforma en calor por medio de la fricción. De este modo, el material puede exponerse a temperaturas muy elevadas en muy poco tiempo.
Las velocidades de calentamiento de 500 K/min permiten reproducir analíticamente estas condiciones de funcionamiento extremas (figura 9).
Tabla 1: Datos técnicos del horno de alta velocidad
Datos técnicos del horno de alta velocidad
| Atmósfera | Inerte, oxidante |
| Portamuestras | STA estándar |
| Velocidad máx. de calentamiento (lineal) | 1000 K/min |
| Temperatura máx. de la muestra | 1250°C |
Resumen
El nuevo horno de alta velocidad constituye una ampliación de la consolidada plataforma 400 que aumenta su ya versátil potencial. En parte, esto implica la posibilidad de combinar el horno de alta velocidad con otros hornos en un dispositivo de doble elevador o con un cambiador automático de muestras (ASC). La comparabilidad de los resultados de medición del horno de alta velocidad con los de otros instrumentos termogravimétricos se demostró utilizando como ejemplo la PirólisisLa pirólisis es la descomposición térmica de compuestos orgánicos en una atmósfera inerte.pirólisis de polipropileno. Este es un requisito previo importante para la utilización sin restricciones del contenido informativo de las mediciones a velocidades de calentamiento de hasta 500 K/min.
La dependencia de los resultados de las mediciones de la variación de la velocidad de calentamiento muestra una correlación lineal bajo escalado logarítmico de la velocidad de calentamiento. Por tanto, también son posibles las comparaciones con mediciones a velocidades de calentamiento convencionales. Los propios pasos de pérdida de masa no dependen de la variación de la velocidad de calentamiento.
Además, utilizando como ejemplo la Reacción de descomposiciónUna reacción de descomposición es una reacción inducida térmicamente de un compuesto químico que forma productos sólidos y/o gaseosos. descomposición térmica del CaCO3, se demostró claramente que, aunque la velocidad de calentamiento influye en los resultados de las mediciones, también sigue una ley muy trazable.
Por lo tanto, el uso de velocidades de calentamiento rápidas no supone ninguna pérdida de información, y el hecho de que cada medición sólo lleve unos minutos supone una enorme ganancia de tiempo que aumenta enormemente el rendimiento de la muestra y, por lo tanto, también la eficacia de la instrumentación termoanalítica.
La investigación termogravimétrica de una pastilla de freno a 500 K/min también permitió -además de aumentar enormemente el rendimiento- analizar por primera vez materiales expuestos a condiciones térmicas extremas en condiciones de funcionamiento.