Johdanto
Kehittynyt kaasuanalyysi (EGA) yhdistettynä lämpöanalysaattoreihin, kuten termogravimetriaan (TGA) tai samanaikaiseen lämpöanalyysiin (STA), jolla tarkoitetaan samanaikaista TGA-DSC:tä, on vakiintunut, koska se parantaa huomattavasti TGA- tai TGA-DSC-tulosten arvoa. Herkkä ja valikoiva Fourier Transfrom Infrafed (FT-IR) -tekniikka on erityisen hyödyllinen orgaanisten molekyylien analysoinnissa, mutta myös useimpien hajoamisprosessien aikana syntyvien infrapuna-aktiivisten pysyvien kaasujen analysoinnissa. Tällaiset pysyvät kaasut, kutenCO2 tai SO2, ovat kaasumaisia ympäristöolosuhteissa.
Lämpöanalysaattoreiden ja FT-IR-spektrometrien välinen liitäntä toteutetaan yleensä lämmitetyillä sovittimilla ja joustavalla, lämmitetyllä siirtolinjalla, jossa lämmittäminen on tarpeen, jotta vältetään kehittyneiden kaasujen tiivistyminen matkalla FT-IR-laitteeseen. Vaikka integroituja ohjelmistoratkaisuja on saatavilla, lämpöanalysaattorit ja kaasuanalysaattorit ovat edelleen fyysisesti erillään toisistaan. Siirtolinjan kautta kulkeva reitti aiheuttaa lisäksi viivettä vapautuvien kaasujen vapautumisen ja havaitsemisen välillä ja joissakin tapauksissa kondensaatio- tai vuorovaikutustekoja.
Tässä työssä käytettiin uutta suoraa Perseus STA-laitteen ja FT-IR-spektrometrin kytkentää ilman siirtolinjaa [1]. Erittäin small FT-IR-spektrometri on asennettu suoraan STA-uunin päälle, mikä johtaa kompaktiin ja täysin integroituun STA-FT-IR kytkentäjärjestelmään, jonka nimi on Perseus STA 449 (ks. kuva 1). Perseus on uusi jäsen NETZSCH kytkentäjärjestelmien perheessä, kuten kuvassa 2 on esitetty.
STA-uunin lyhyt liitäntä (ks. kuva 3) sekä FT-IR-spektrometrin kaasukenno lämmitetään kondensaatioriskin minimoimiseksi. Lisäksi nestemäistä typpeä ei tarvita, koska DLaTGS-tyyppinen FT-IR-ilmaisin toimii huoneenlämmössä.
Peruslaitteella NETZSCH STA 449 F1 /F3 Jupiter® voidaan mitata samanaikaisesti korkean resoluution TGA- ja DSC- tai DTA-mittauksia laajalla lämpötila-alueella -150 °C:sta 2400 °C:seen riippuen käytetystä uunista ja näytteen kantajasta.
Kokeellinen
PTFE/grafiitti-yhdiste, jonka näytteen alkuperäinen massa oli 11,54 mg, mitattiin Pt-astiassa, jossa oli lävistetyt kannet, lämmitysnopeudella 10 K/min. Kaasuilmakehä (virtausnopeus 70 ml/min) vaihdettiin puhtaasta argonista synteettiseen ilmaan 870 °C:ssa. Käytettiin TGA-DSC-näytteensiirtimen tyyppiä S ja rodiumuunia. TGA-DSC-tulokset korjattiin perusviivakorjatuiksi (tyhjät signaalit vähennettiin), ja FT-IR-mittaus suoritettiin 4 cm-1:n resoluutiolla, ja yhtä FT-IR-spektriä varten laskettiin 16 skannauksen keskiarvo, jolloin yksi skannaus kesti noin 1 s. Tämän jälkeen FT-IR-mittaukset suoritettiin 4 cm-1:n resoluutiolla.
Tulokset ja keskustelu
Perseus kytkentä soveltuu hyvin moniin sovelluksiin [1]. Esimerkkinä edellä mainitusta PTFE/grafiitti-yhdisteestä - jota voidaan käyttää esimerkiksi voiteluaineena - saadut tulokset [2]: kuvassa 4 esitetään TGA-DSC-tulokset yhdessä Gram-Schmidt-käyrän kanssa. Gram-Schmidt-käyrä kuvaa koko havaitun IR-absorption intensiteettimuutosta. Noin 349 °C:n lämpötilassa (huippulämpötila) DSC-signaali paljastaa endotermisen vaikutuksen, joka johtuu PTFE:n sulamisesta. Noin 480 °C:n ja 620 °C:n välillä tapahtuu 97,4 prosentin massahäviö, johon liittyy EndoterminenNäytteen siirtyminen tai reaktio on endoterminen, jos muuntumiseen tarvitaan lämpöä.endoterminen DSC-ilmiö ja Gram-Schmidtin signaalin huippu. Tällä alueella tapahtuu PTFE:n pyrolyyttistä hajoamista. 870 °C:n lämpötilassa kaasuilmakehä vaihtui inertistä hapettavaksi, mikä johti grafiittipitoisuuden eksotermiseen palamiseen noin 2,1 prosentilla. Noin 0,6 prosentin jäännösmassa johtuu todennäköisesti keraamisesta täyteaineesta.
Kuvassa 5 esitetyssä kolmiulotteisessa kuutiossa näkyy IR-absorptio aaltoluvun ja lämpötilan funktiona sekä TGA-käyrä. Ensimmäisen massahäviövaiheen aikana tetrafluorieteenin (C2F4) tunnetut absorptiokaistat voidaan ensisijaisesti tunnistaa 1100 cm-1 ja 1400 cm-1 välillä (sekä jälkiä HF:stä 4000 cm-1 ja 4200 cm-1 välillä). Toisen massahäviövaiheen aikana havaitut kaistat, jotka sijaitsevat pääasiassa välillä 2200 cm-1 ja 2400 cm-1, voidaan katsoa johtuvan palamisen aikana muodostuneestaCO2: sta. Lopuksi kuvassa 6 esitetään C2F4:njaCO2: n ominaisintegraatiokäyrät lämpötilan funktiona, mikä osoittaa jälleen kerran erinomaisen korrelaation massahäviövaiheiden ja kehittyneiden kaasujen välillä.
Päätelmä
Esitetty sovellusesimerkki osoittaa, että Perseus mahdollistaa TGA:n ja DSC:n samanaikaisen tallentamisen ja samalla kehittyneiden kaasujen havaitsemisen FT-IR:n avulla. Kokonaisuudessaan STA-FT-IR tulokset mahdollistavat kunkin näytekomponentin kvantifioinnin ja tunnistamisen, sillä alun perin tunnistamattomat kaasut voidaan usein tunnistaa tietokantahaun avulla [1]. Havaittujen massahäviövaiheiden ja kehittyneiden kaasujen välillä havaittiin erittäin hyvä korrelaatio, mikä on suoran kytkentärajapinnan etu. Kaiken kaikkiaan uusi Perseus STA 449 F1 /F3 on suorituskykyinen, suora STA-FT-IR kytkentä ilman siirtojohtoa, joka erottuu edukseen erityisesti pienen kokonsa ansiosta.