Johdanto
Lämpöanalyysin alaan kuuluvat menetelmät, joilla voidaan karakterisoida fysikaalisia ja kemiallisia ominaisuuksia tai ominaisuuksien muutoksia lämpötilan funktiona. Termogravimetria mahdollistaa massanmuutosten kvantifioinnin, esimerkiksi reaktio- ja hajoamiskaasujen vapautumisen. Kun nämä kaasut siirretään kaasumittarikennoon, vapautuvien kaasujen tunnistaminen on myös mahdollista. Niin sanottu TGA-FT-IR-kytkentä on hyväksi havaittu analyyttisen ja spektroskopisen analyysimenetelmän yhdistelmä.
Aivan uusi lisä vakiintuneeseen STA 449 F1 Jupiter® (kuva 1) on nopea uuni (poikkileikkaus kuvassa 2), jota voidaan käyttää jopa 1000 K/min lämmitysnopeudella (nyt on saatavana uunijärjestelmiä mitä erilaisimpiin sovelluksiin, jotka kattavat lämpötila-alueen -150 °C:sta 2400 °C:seen).
Kuumennusnopeuden ja siihen liittyvän vapautumisnopeuden vaikutusta termogravimetrisiin ja spektroskopisiin mittaustuloksiin käsitellään tässä sovellusohjeessa.
Tulokset
a) Polypropeeni PP
Kun lämmitysnopeutta termoanalyyttisten kokeiden aikana vaihdellaan, havaitut vaikutukset siirtyvät korkeampiin lämpötiloihin lämmitysnopeuden kasvaessa (kuva 3). Tämä on hyvin tunnettua ja sitä voidaan käyttää kineettisissä arvioinneissa. Kun vapautumislämpötila nousee, myös vapautumisnopeus kasvaa merkittävästi (kuva 4). Näin ollen myös analysoitavien näytekaasujen pitoisuus tasaisessa kantokaasuvirrassa kasvaa, ja näytekaasut voidaan helposti havaita ja tunnistaa. Massan häviämisvaiheet eivät kuitenkaan ole riippuvaisia lämmitysnopeudesta.
b) CaCO3
Propeenin pyrolyysin yhteydessä käsitelty lämmitysnopeuden ja hajoamislämpötilan välinen suhde vakioasteikolla voidaan havaita myös kalsiumkarbonaatin termisessä hajoamisessa kalsiumoksidiksi ja hiilidioksidiksi (kuvat 5 ja 6).
Kuvassa 7 esitetään vastaavien Gram-Schmidt-jälkien absorptiointensiteetti, jonka odotetaan kasvavan lämmitysnopeuden kasvaessa. Tässä yhteydessä on huomattava, että vapautuneiden näytekaasujen siirtyminen IR-kaasumittarikennoon tuskin viivästyy nopeiden lämmitysnopeuksien vuoksi. Tämä käy ilmi vertailemalla suurinta vapautumisnopeutta (DTA) ja suurinta IR-intensiteettiä (GS) kuvassa 8 esitetyllä tavalla.
c) CaC2O4 xH2Osekoitettuna SiO2:n kanssa
Havaitsemisrajan tutkimiseksi valmistettiin kalsiumoksalaattimonohydraatin (CaC2O4 xH2O) ja kvartsihiekan (SiO2) seos. Valittu sekoitussuhde oli 1:10, jotta odotettavissa oleva veden vapautuminen vastasi noin 1 % näytteen massasta. Noin 1 %:n veden lämpöeritystä tästä seoksesta ei voitu havaita lämmitysnopeudella 20 K/min; kun lämmitysnopeus oli 200 K/min, se voitiin kuitenkin selvästi havaita (kuvat 9-11).
Yhteenveto
Nopeilla lämmitysnopeuksilla, jotka voivat olla jopa 500 K/min, on mahdollista lisätä huomattavasti kaasumaisten tuotteiden vapautumisnopeuksia näytteestä. Näin ollen myös niiden pitoisuus kasvaa kantokaasuun verrattuna, mikä parantaa merkittävästi TGA-FT-IR-kytkennän havaitsemisrajaa.