Introduzione
L'analisi dei gas evoluti (EGA) accoppiata ad analizzatori termici come la termogravimetria (TGA) o l'analisi termica simultanea (STA), che si riferisce alla TGA-DSC simultanea, è ben consolidata poiché aumenta notevolmente il valore dei risultati della TGA o della TGA-DSC. La tecnica sensibile e selective Fourier Transfrom Infrafed (FT-IR) è particolarmente utile per l'analisi delle molecole organiche, ma anche dei gas permanenti attivi all'infrarosso che si sviluppano durante la maggior parte dei processi di Reazione di decomposizioneUna reazione di decomposizione è una reazione termicamente indotta di un composto chimico che forma prodotti solidi e/o gassosi. decomposizione. Tali gas permanenti, comeCO2 o SO2, sono gassosi a condizioni ambientali.
L'interfaccia di accoppiamento tra analizzatori termici e spettrometri FT-IR è solitamente realizzata utilizzando adattatori riscaldati e una linea di trasferimento flessibile e riscaldata, dove il riscaldamento è necessario per evitare la condensazione dei gas evoluti nel percorso verso lo strumento FT-IR. Sebbene siano disponibili soluzioni software integrate, gli analizzatori termici e di gas sono ancora fisicamente separati. Il percorso attraverso la linea di trasferimento causa inoltre un ritardo tra il rilascio e la rilevazione dei gas evoluti e in alcuni casi effetti di condensazione o interazione.
Per questo lavoro è stato utilizzato il nuovo accoppiamento diretto Perseus tra uno strumento STA e uno spettrometro FT-IR senza linea di trasferimento [1]. Uno spettrometro FT-IR small è montato direttamente sopra il forno STA, dando vita a un sistema di accoppiamento STA-FT-IR compatto e completamente integrato, chiamato Perseus STA 449 (vedere figura 1). Perseus è un nuovo membro della famiglia di sistemi di accoppiamento NETZSCH, come illustrato in figura 2.
La breve interfaccia con il forno STA (vedi figura 3) e la cella a gas dello spettrometro FT-IR sono riscaldate per ridurre al minimo il rischio di condensazione. Inoltre, non è necessario l'uso di azoto liquido poiché il rivelatore FT-IR di tipo DLaTGS funziona a temperatura ambiente.
Lo strumento di base NETZSCH STA 449 F1 /F3 Jupiter® consente di misurare simultaneamente TGA e DSC o DTA ad alta risoluzione in un ampio intervallo di temperatura compreso tra -150°C e 2400°C, a seconda del forno e del supporto del campione utilizzato.
Sperimentale
Un composto di PTFE/grafite con una massa iniziale del campione di 11,54 mg è stato misurato in crogioli di Pt con coperchi forati a una velocità di riscaldamento di 10 K/min. L'atmosfera gassosa (portata 70 ml/min) è stata commutata da argon puro ad aria sintetica a 870°C. Sono stati utilizzati un portacampioni TGA-DSC di tipo S e un forno al rodio. I risultati TGA-DSC sono stati corretti al basale (sono stati sottratti i segnali a vuoto) e l'acquisizione FT-IR è stata effettuata con una risoluzione di 4 cm-1 e 16 scansioni sono state mediate per uno spettro FT-IR, dove una scansione richiedeva circa 1s.
Risultati e discussione
L'accoppiamento Perseus è adatto a molte applicazioni [1]. A titolo di esempio, si riportano i risultati relativi al composto PTFE/grafite di cui sopra, che può essere applicato, ad esempio, come lubrificante [2]: la figura 4 illustra i risultati TGA-DSC insieme alla curva di Gram-Schmidt. La curva di Gram-Schmidt rappresenta la variazione di intensità dell'intero assorbimento IR rilevato. A circa 349°C (temperatura di picco), il segnale DSC rivela un effetto EndotermicoUna transizione campionaria o una reazione è endotermica se per la conversione è necessario il calore.endotermico dovuto allaTemperature di fusione ed entalpieL'entalpia di fusione di una sostanza, nota anche come calore latente, è una misura dell'apporto di energia, tipicamente calore, necessario per convertire una sostanza dallo stato solido a quello liquido. Il punto di fusione di una sostanza è la temperatura alla quale essa cambia stato da solido (cristallino) a liquido (fusione isotropa). fusione del PTFE contenuto. Tra circa 480°C e 620°C, si verifica una perdita di massa del 97,4%, accompagnata da un effetto DSC EndotermicoUna transizione campionaria o una reazione è endotermica se per la conversione è necessario il calore.endotermico e da un picco nel segnale di Gram-Schmidt. In questo intervallo avviene la Reazione di decomposizioneUna reazione di decomposizione è una reazione termicamente indotta di un composto chimico che forma prodotti solidi e/o gassosi. decomposizione pirolitica del contenuto di PTFE. A 870°C, l'atmosfera di gas è passata da inerte a ossidativa, portando a una combustione esotermica del contenuto di grafite di circa il 2,1%. La massa residua di circa 0,6% è probabilmente dovuta a un riempimento ceramico.
Il "cubo 3D" presentato in figura 5 mostra l'assorbimento IR in funzione del numero d'onda e della temperatura, insieme alla curva TGA. Durante la prima fase di perdita di massa, le note bande di assorbimento del tetrafluoroetilene, C2F4, possono essere identificate principalmente nell'intervallo tra 1100 cm-1 e 1400 cm-1 (oltre a tracce di HF nell'intervallo tra 4000 cm-1 e 4200 cm-1). Le bande rilevate durante la seconda fase di perdita di massa, principalmente nell'intervallo tra 2200 cm-1 e 2400 cm-1, possono essere attribuite allaCO2 formatasi durante la combustione. Infine, la figura 6 mostra le tracce di integrazione caratteristiche per C2F4 eCO2 in funzione della temperatura, mostrando ancora una volta un'eccellente correlazione tra le fasi di perdita di massa e i gas evoluti.
Conclusione
L'esempio applicativo presentato dimostra che Perseus consente la registrazione simultanea di TGA e DSC e, allo stesso tempo, la rilevazione dei gas evoluti mediante FT-IR. L'insieme dei risultati STA-FT-IR consente di quantificare e identificare ciascun componente del campione, poiché i gas inizialmente non identificati possono spesso essere identificati mediante un database search [1]. È stata dimostrata un'ottima correlazione tra le fasi di perdita di massa rilevate e i gas evoluti, un vantaggio dell'interfaccia di accoppiamento diretto. In definitiva, il nuovo Perseus STA 449 F1 /F3 è un accoppiatore diretto STA-FT-IR ad alte prestazioni senza linea di trasferimento che si distingue soprattutto per la sua compattezza.