Système de piégeage de l'oxygène (OTS^®) pour la réduction de l'oxygène résiduel dans les analyseurs thermiques NETZSCH

Introduction

La présence d'oxygène résiduel est un problème bien connu dans l'analyse thermique (veuillez vous référer à la terminologie donnée dans la norme DIN 51 005). Lorsque les échantillons doivent être étudiés dans des conditions de gaz inerte, en utilisant par exemple de l'azote, de l'argon ou de l'hélium comme gaz de purge, la présence d'oxygène résiduel est décisive dans la plupart des cas, car une OxydationL'oxydation peut décrire différents processus dans le contexte de l'analyse thermique.oxydation éventuelle de l'échantillon conduirait à des résultats indésirables et à des interprétations erronées.

Les échantillons métalliques qui s'oxydent en surface présentent un signal DSC ExothermiqueA sample transition or a reaction is exothermic if heat is generated.exothermique ainsi qu'une augmentation de la masse de l'échantillon. L'OxydationL'oxydation peut décrire différents processus dans le contexte de l'analyse thermique.oxydation peut également être responsable d'un décalage des températures de transformation de phase. Les polymères ou les composites contenant des substances organiques brûleraient partiellement en présence d'oxygène résiduel, ce qui fausserait le résultat de la mesure lors de la décomposition pyrolytique nominale.

L'oxygène résiduel dans les analyseurs thermiques est généralement minimisé en évacuant, en remplissant et en purgeant l'appareil avec un gaz inerte très pur. Ce processus doit être répété plusieurs fois afin de minimiser la concentration d'oxygène. La condition préalable la plus importante pour obtenir la plus faible concentration d'oxygène possible est bien sûr un instrument étanche au vide. La concentration d'oxygène résiduel dépend donc de l'étanchéité au vide de l'analyseur thermique, des conduites de gaz et des raccords de gaz, ainsi que de la pureté du gaz de purge inerte. Un nettoyage supplémentaire du gaz de purge à l'extérieur de l'instrument peut être utile, mais ne donne généralement pas de résultats totalement satisfaisants.

Le système OTS^®

Le système OTS^® permet une réduction supplémentaire et efficace de la concentration d'oxygène sur le site de l'échantillon. La figure 1 montre le système OTS^® installé dans un analyseur thermique simultané (STA = TGA + DSC) : Sous le creuset de l'échantillon et le creuset de référence, et donc dans la zone chaude de l'instrument, se trouve un matériau getter très résistant à la température qui absorbe l'oxygène résiduel à des températures suffisamment élevées. Le matériau d'obturation est positionné par un support d'obturation en céramique, qui est également très résistant à la température et ne réagit pas avec le matériau d'obturation. Les deux parties, le matériau getter et le support getter en céramique, sont placées sur le bouclier de radiation du porte-échantillon TGA-DSC.

La symétrie de rotation garantit que le système OTS^® n'est pas en contact direct avec le porte-échantillon. Et grâce à la conception fendue du matériau d'obturation et du support d'obturation en céramique, le système OTS^® peut être facilement monté ou démonté. Le gaz de purge inerte circulant vers le haut entre d'abord en contact avec le matériau getter, puis avec l'échantillon. Par conséquent, l'oxygène résiduel présent dans le gaz de purge est complètement absorbé par le matériau getter et ne peut donc pas atteindre l'échantillon.

Résultats et discussion

Deux mesures TGA sur le zirconium sont comparées dans la figure 2 ; l'une avec le système OTS^® et l'autre sans. Les deux mesures ont été effectuées dans une atmosphère dynamique d'hélium avec une pureté nominale de 99,996%. Les échantillons ont été maintenus isothermes à 1000°C pendant environ 2 heures. Sans le système OTS^®, la masse de l'échantillon a augmenté à un rythme constant, pour atteindre finalement 0,33 mg. Ce gain de masse reflétant l'OxydationL'oxydation peut décrire différents processus dans le contexte de l'analyse thermique.oxydation de l'échantillon a pu être évité grâce au système OTS^®: La masse de l'échantillon est restée pratiquement constante. D'après ces résultats, on peut estimer que le système OTS^® réduit la concentration d'oxygène résiduel sur le site de l'échantillon à moins de ~1 ppm.

Un autre exemple démontrant les avantages du système OTS^® est illustré à la figure 3. Deux échantillons de nickel ont été étudiés au moyen d'un analyseur thermique simultané. Un gaz de purge d'argon d'une pureté de 99,996 % a été utilisé dans les deux cas. Le Températures et enthalpies de fusionL'enthalpie de fusion d'une substance, également connue sous le nom de chaleur latente, est une mesure de l'apport d'énergie, généralement de la chaleur, nécessaire pour convertir une substance de l'état solide à l'état liquide. Le point de fusion d'une substance est la température à laquelle elle passe de l'état solide (cristallin) à l'état liquide (fusion isotrope).point de fusion du nickel, qui est de 1455°C selon la littérature, est souvent utilisé pour la thermométrie à haute température. Le nickel est cependant très sensible à l'OxydationL'oxydation peut décrire différents processus dans le contexte de l'analyse thermique.oxydation, ce qui peut entraîner une réduction indéfinie du Températures et enthalpies de fusionL'enthalpie de fusion d'une substance, également connue sous le nom de chaleur latente, est une mesure de l'apport d'énergie, généralement de la chaleur, nécessaire pour convertir une substance de l'état solide à l'état liquide. Le point de fusion d'une substance est la température à laquelle elle passe de l'état solide (cristallin) à l'état liquide (fusion isotrope).point de fusion et donc une thermométrie incorrecte. Ceci est visible dans la mesure sans le système OTS^®. L'échantillon s'est oxydé, ce qui a entraîné une baisse du Températures et enthalpies de fusionL'enthalpie de fusion d'une substance, également connue sous le nom de chaleur latente, est une mesure de l'apport d'énergie, généralement de la chaleur, nécessaire pour convertir une substance de l'état solide à l'état liquide. Le point de fusion d'une substance est la température à laquelle elle passe de l'état solide (cristallin) à l'état liquide (fusion isotrope).point de fusion : L'échantillon s'est oxydé, ce qui a entraîné une augmentation de la courbe TGA due au gain de masse. Le pic de Températures et enthalpies de fusionL'enthalpie de fusion d'une substance, également connue sous le nom de chaleur latente, est une mesure de l'apport d'énergie, généralement de la chaleur, nécessaire pour convertir une substance de l'état solide à l'état liquide. Le point de fusion d'une substance est la température à laquelle elle passe de l'état solide (cristallin) à l'état liquide (fusion isotrope). fusion DSC est apparu à 1443°C, soit 12°C de moins que la valeur de la littérature. L'enthalpie de Températures et enthalpies de fusionL'enthalpie de fusion d'une substance, également connue sous le nom de chaleur latente, est une mesure de l'apport d'énergie, généralement de la chaleur, nécessaire pour convertir une substance de l'état solide à l'état liquide. Le point de fusion d'une substance est la température à laquelle elle passe de l'état solide (cristallin) à l'état liquide (fusion isotrope). fusion de 275 J/g est également nettement inférieure à la valeur de la littérature d'environ 300 J/g. Des résultats corrects, correspondant aux valeurs de la littérature, ont été obtenus avec le système OTS^®: Le pic de Températures et enthalpies de fusionL'enthalpie de fusion d'une substance, également connue sous le nom de chaleur latente, est une mesure de l'apport d'énergie, généralement de la chaleur, nécessaire pour convertir une substance de l'état solide à l'état liquide. Le point de fusion d'une substance est la température à laquelle elle passe de l'état solide (cristallin) à l'état liquide (fusion isotrope). fusion DSC a été détecté à 1455°C et l'enthalpie de Températures et enthalpies de fusionL'enthalpie de fusion d'une substance, également connue sous le nom de chaleur latente, est une mesure de l'apport d'énergie, généralement de la chaleur, nécessaire pour convertir une substance de l'état solide à l'état liquide. Le point de fusion d'une substance est la température à laquelle elle passe de l'état solide (cristallin) à l'état liquide (fusion isotrope). fusion était de 290 J/g.

Grâce au système OTS^®, l'échantillon ne s'est pas oxydé de manière significative. La courbe TGA horizontale le montre, ce qui signifie que la masse de l'échantillon est restée constante au cours de l'expérience. Enfin, la figure 4 présente deux mesures TGA-MS sur deux graphites qui ont à nouveau été effectuées dans un gaz de purge d'argon d'une pureté de 99,996 %. La légère perte de masse en dessous de ~600°C est très probablement due à des hydrocarbures volatils, tandis que la perte de masse à des températures plus élevées observée sans le système OTS^® reflète la combustion partielle du graphite due à l'oxygène résiduel (lignes pointillées) : Le spectromètre de masse a détecté une augmentation du signal avec le numéro de masse 44 qui est due à l'évolution du_CO2; la diminution progressive du signal avec le numéro de masse 32 reflète la consommation correspondante de l'oxygène résiduel. Avec le système OTS^®, la masse de l'échantillon est restée pratiquement constante au-dessus de ~600°C, ce qui signifie que l'échantillon n'a pas subi d'OxydationL'oxydation peut décrire différents processus dans le contexte de l'analyse thermique.oxydation supplémentaire (lignes continues). Aucun dégagement de_CO2 n'a été détecté dans cette plage de température. Le signal d'oxygène (numéro de masse 32) permet également de conclure que le système OTS^® commence à absorber l'oxygène résiduel au-dessus de ~300°C et réduit la concentration d'oxygène à un minimum au-dessus de ~500°C.

Conclusion

Les systèmes de piège à oxygène OTS^® peuvent être utilisés avec divers analyseurs thermiques (DSC, TGA, STA, DIL). Il élimine les traces d'oxygène résiduel dans l'atmosphère gazeuse à l'intérieur de l'instrument à des concentrations bien inférieures à 1 ppm.