Bevezetés
A maradék oxigén jelenléte jól ismert probléma a termikus analízisben (lásd a DIN 51 005-ben megadott terminológiát). Ha a mintákat inertgázos körülmények között kell vizsgálni, például nitrogén, argon vagy hélium tisztítógázzal, a maradék oxigén jelenléte a legtöbb esetben döntő, mert a minta esetleges OxidációAz oxidáció különböző folyamatokat írhat le a termikus analízissel összefüggésben.oxidációja nemkívánatos eredményekhez és helytelen értelmezéshez vezetne.
A felületen oxidálódó fémminták exoterm DSC-jelet és a minta tömegének növekedését mutatják. Az oxidáció a fázisátalakulási hőmérsékletek eltolódásáért is felelős lehet. A szerves anyagokat tartalmazó polimerek vagy kompozitok a maradék oxigén jelenlétében részben elégnének, ami a névlegesen pirolitikus Bomlási reakcióA bomlási reakció egy kémiai vegyület szilárd és/vagy gáznemű termékeket képező, hő hatására lejátszódó reakciója. bomlás során meghamisítaná a mérési eredményt.
A termikus analizátorokban a maradék oxigén mennyiségét általában a készülék evakuálásával, visszatöltésével és nagy tisztaságú inert gázzal történő tisztításával minimalizálják. Ezt a folyamatot többször meg kell ismételni az oxigénkoncentráció minimalizálása érdekében. A lehető legalacsonyabb oxigénkoncentráció legfontosabb előfeltétele természetesen a vákuummentes műszer. A maradék oxigén koncentrációja tehát a termoanalizátor, a gázvezetékek és a gázcsatlakozások vákuumzáróságától, valamint az inert tisztítógáz tisztaságától függ. A műszeren kívüli tisztítógáz további tisztítása hasznos lehet, de általában nem ad teljesen kielégítő eredményt.
A OTS® rendszer
A OTS® rendszer lehetővé teszi az oxigénkoncentráció további, hatékony, helyszíni csökkentését a minta helyén. Az 1. ábra a OTS® rendszert egy szimultán termikus analizátorba (STA = TGA + DSC) beépítve mutatja: A minta- és a referenciatégely alatt, tehát a műszer forró zónájában található egy nagy hőmérséklet-ellenállású getter anyag, amely kellően magas hőmérsékleten elnyeli a maradék oxigént. A getter anyagot egy kerámia getter-tartóval helyezik el, amely szintén nagymértékben ellenáll a hőmérsékletnek, és nem lép reakcióba a getter anyaggal. Mindkét rész, a getter anyag és a kerámia getter hordozó a TGA-DSC mintatartó sugárzási pajzsán van elhelyezve.
A forgási szimmetria biztosítja, hogy a OTS® rendszer nem érintkezik közvetlenül a mintatartóval. A getter-anyag és a kerámia getter-tartó réselt kialakításának köszönhetően pedig a OTS® rendszer könnyen felszerelhető vagy eltávolítható. A felfelé áramló inert tisztítógáz először a getter anyaggal, majd a mintával érintkezik. Ezért a tisztítógázban lévő maradék oxigént a getter anyag teljesen elnyeli, és így nem juthat a mintához.
Eredmények és vita
A 2. ábrán két cirkóniumra vonatkozó TGA-mérést hasonlítunk össze; az egyiket a OTS® rendszerrel, a másikat anélkül. Mindkét mérést dinamikus hélium atmoszférában végeztük, 99,996%-os névleges tisztasággal. A mintákat izotermikusan 1000°C-on tartottuk körülbelül 2 órán keresztül. A OTS® rendszer nélkül a minta tömege állandó ütemben növekedett, és végül 0,33 mg-ot ért el. A minta OxidációAz oxidáció különböző folyamatokat írhat le a termikus analízissel összefüggésben.oxidációját tükröző tömegnövekedés a OTS® rendszerrel elkerülhető volt: A minta tömege szinte állandó maradt. Ezekből az eredményekből becsülhető, hogy a OTS® rendszer ~1 ppm alá csökkenti a maradék oxigén koncentrációját a minta helyén.
Egy másik példa, amely a OTS® rendszer előnyeit mutatja, a 3. ábrán látható. Két nikkelmintát vizsgáltak egy szimultán termikus analizátorral. Mindkét esetben 99,996%-os tisztaságú argon tisztítógázt használtunk. A nikkel 1455 °C-os irodalmi olvadáspontját gyakran alkalmazzák a magas hőmérsékleten végzett hőméréshez. A nikkel azonban nagyon érzékeny az OxidációAz oxidáció különböző folyamatokat írhat le a termikus analízissel összefüggésben.oxidációra, ami az Olvadási hőmérsékletek és EnthalpiákEgy anyag fúziós entalpiája, más néven látens hő, annak az energiabevitelnek, jellemzően hőnek a mértéke, amely ahhoz szükséges, hogy egy anyag szilárd állapotból folyékony állapotba kerüljön. Egy anyag olvadáspontja az a hőmérséklet, amelyen szilárd (kristályos) állapotból folyékony (izotróp olvadék) állapotot vált.olvadáspont meghatározatlan csökkenéséhez és így hibás hőméréshez vezethet. Ez látható a OTS® rendszer nélküli mérésnél: A minta oxidálódott, ami a TGA-görbe tömeggyarapodás miatti növekedését eredményezte. A DSC olvadási csúcs már 1443°C-on jelentkezett, ami 12°C-kal alacsonyabb az irodalmi értéknél. Az olvadási entalpia 275 J/g szintén jelentősen alacsonyabb, mint a kb. 300 J/g-os irodalmi érték. Az irodalmi értékeknek megfelelő, helyes eredményeket kaptunk a OTS® rendszerrel: A DSC olvadási csúcsot 1455°C-on észleltük, az olvadási entalpia pedig 290 J/g volt.
A OTS® rendszernek köszönhetően a minta nem oxidálódott jelentősen. Ez a vízszintes TGA-görbén keresztül látható, ami azt jelenti, hogy a minta tömege állandó volt a kísérlet során. Végül a 4. ábrán két TGA-MS mérés látható két grafiton, amelyeket ismét 99,996%-os tisztaságú argon tisztítógázban végeztünk. A ~600°C alatti enyhe tömegveszteség valószínűleg az illékony szénhidrogéneknek köszönhető, míg a OTS® rendszer nélkül megfigyelt, magasabb hőmérsékleten bekövetkező tömegveszteség a grafit maradék oxigén miatti részleges elégését tükrözi (szaggatott vonalak): A tömegspektrométer a jel 44-es tömegszámmal történő növekedését észlelte, ami aCO2 fejlődésének köszönhető; a jel 32-es tömegszámmal történő fokozatos csökkenése a maradék oxigén megfelelő fogyasztását tükrözi. A OTS® rendszerrel a minta tömege ~600 °C felett gyakorlatilag állandó maradt, ami azt jelenti, hogy a minta nem mutatott további OxidációAz oxidáció különböző folyamatokat írhat le a termikus analízissel összefüggésben.oxidációt (folytonos vonalak). Ebben a hőmérséklettartománybanCO2-fejlődés sem volt kimutatható. Az oxigénjelből (32-es tömegszám) az is megállapítható, hogy a OTS® rendszer ~300°C felett kezd maradék oxigént felvenni, és ~500°C felett minimálisra csökkenti az oxigénkoncentrációt.
Következtetés
A OTS® oxigéncsapda-rendszerek különböző termikus analizátorokkal (DSC, TGA, STA, DIL) használhatók. A készülék belsejében lévő gáz atmoszférában lévő maradék oxigén nyomokban, jóval 1 ppm alatti koncentrációig távolítja el.