Introduzione
Il tempo di misurazione stimato, insieme all'affidabilità e alla significatività dei risultati, gioca spesso un ruolo importante in quasi tutte le questioni analitiche. Più i metodi di analisi sono legati ai processi produttivi, più questo aspetto diventa importante. Mentre nella ricercaarch e nello sviluppo di nuovi materiali, i tempi di misura per la caratterizzazione delle proprietà sono programmati in modo ovvio, nell'analisi in-process è la capacità degli impianti di produzione a determinare gli intervalli in cui le proprietà e la qualità del prodotto devono essere verificate. Le analisi per l'assicurazione della qualità devono quindi essere spesso realizzate in linea durante il processo di produzione, o devono almeno poter essere eseguite nell'arco di pochi minuti per il controllo del campionamento casuale.
In passato, era difficile coprire queste aree con l'analisi termica, poiché le analisi convenzionali richiedono da 30 minuti a diverse ore, a seconda del programma di misura. Il tempo di misurazione dipende principalmente dal materiale da testare e/o dall'intervallo di temperatura che deve essere analizzato per le proprietà caratteristiche del materiale. I parametri decisivi sono anche le velocità di riscaldamento e raffreddamento utilizzate. Questi, a loro volta, dipendono essenzialmente dalla struttura dei forni e degli strumenti analitici. Ed è qui che il nuovo forno ad alta velocità stabilisce nuovi standard.
Con gli strumenti termoanalitici convenzionali, le velocità di riscaldamento e raffreddamento vanno da 1 K/min a 20 K/min, mentre la gamma potenziale va da 0,001 K/min a 100 K/min; il nuovo forno ad alta velocità, invece, consente velocità di riscaldamento fino a 1000 K/min. Una velocità di riscaldamento di 500 K/min riduce già il tempo di misura da temperatura ambiente a 1000°C a meno di due minuti, aumentando così enormemente la produttività dei campioni.
Concetto
Il nuovo forno ad alta velocità non richiede uno strumento autonomo, ma amplia la consolidata piattaforma 400 con un altro tipo di forno. Il concetto di piattaforma consente di equipaggiare uno strumento di misura con un dispositivo di sollevamento a doppio forno per due forni. Il forno ad alta velocità può quindi essere montato sul dispositivo di sollevamento doppio insieme ad altri forni. Al posto di un secondo forno, per il forno ad alta velocità può essere utilizzato, a scelta, un sistema di cambio automatico dei campioni (ASC). La flessibilità modulare e, in particolare, la possibilità di combinare il forno ad alta velocità con l'ASC consentono di risparmiare molto tempo e quindi di aumentare direttamente la produttività dei campioni.
I seguenti tipi di forno per la serie di strumenti STA 449F1 e STA 449 F3 sono ora disponibili.
Impostazione
La Figura 2 mostra una sezione trasversale del forno ad alta velocità. Si può notare che il forno ad alta velocità non differisce dagli altri forni della piattaforma 400 per quanto riguarda i principali punti di progettazione, come le teste di misura, la posizione della determinazione della temperatura del campione, il flusso di gas e la separazione delle camere di campionamento e di pesatura.
La grande varietà di tipi di crogioli e di materiali può essere utilizzata anche nel forno ad alta velocità. Ciò garantisce una comparabilità ideale dei risultati dei test, anche se ottenuti con diversi tipi di forno.
L'elemento riscaldante del forno ad alta velocità è costituito da una maglia di platino riscaldata a resistenza. Il tubo di protezione separa la camera del campione dall'esterno e consente di lavorare in atmosfere di campioni puri mediante l'evacuazione e l'allagamento della camera del campione.
Risultati della misurazione
Oltre alle misure ad alta velocità di riscaldamento, sono state effettuate anche misure a velocità di riscaldamento convenzionali di 10 K/min e 20 K/min con il forno ad alta velocità, per garantire la comparabilità dei risultati dei test con quelli ottenuti con altri strumenti termoanalitici.
La presentazione della temperatura del campione misurata in funzione del tempo nella Figura 3 mostra velocità di riscaldamento lineari nell'intervallo da 10 K/min a 500 K/min.
È stato così confermato che il forno ad alta velocità non deve limitarsi a velocità di riscaldamento elevate, ma che è perfettamente in grado di gestire anche applicazioni più convenzionali.
Variando la velocità di riscaldamento in condizioni di prova altrimenti identiche, i risultati si spostano verso temperature più elevate all'aumentare della velocità di riscaldamento. Si tratta di una correlazione ben nota, che consente inoltre la valutazione cinetica dei dati misurati mediante il software NETZSCH, appositamente sviluppato Thermokinetics software appositamente sviluppato.
Se la correlazione tra la variazione delle velocità di riscaldamento e gli effetti sui dati misurati è nota e può essere descritta matematicamente, le misure possono essere effettuate rapidamente senza dover rinunciare alla tracciabilità dei dati di misura con le proprietà note del campione, come ad esempio quelle elencate negli annali NETZSCH.
Utilizzando come esempio la PirolisiLa pirolisi è la decomposizione termica di composti organici in atmosfera inerte.pirolisi del polipropilene (PP), si evidenzierà la dipendenza dei risultati dalla velocità di riscaldamento.
La Figura 4 mostra inizialmente che non ci sono differenze significative nei risultati delle misurazioni quando il polipropilene viene analizzato in condizioni identiche utilizzando due diversi strumenti termogravimetrici (TG 209 F1 e STA 449 F1 ).
Ciò è degno di nota poiché l'eometria del forno e quindi anche le condizioni di flusso dei gas di lavaggio sono diverse.
Oltre ai risultati della variazione di massa relativa (TGA), la figura 4 mostra la sua derivata prima, cioè le velocità di variazione di massa, come linee tratteggiate (DTG). Valutando le temperature per le velocità di riscaldamento di 10, 20, 50, 100, 200 e 500 K/min, dove il tasso di perdita di massa è massimo (minimo della curva DTG), si ottiene la dipendenza dalla velocità di riscaldamento della PirolisiLa pirolisi è la decomposizione termica di composti organici in atmosfera inerte.pirolisi del propilene. Questa è presentata nella figura 5.
La scala logaritmica dei tassi di riscaldamento produce una linea retta, come si può vedere in figura 6. Le barre di errore mostrate in entrambe le figure 5 e 6 nella direzione delle y non indicano errori reali, ma solo un intervallo di confidenza di ± 2,5 K.
Il trattamento termico del carbonato di calcio (CaCO3) dà luogo a una Reazione di decomposizioneUna reazione di decomposizione è una reazione termicamente indotta di un composto chimico che forma prodotti solidi e/o gassosi. reazione di decomposizione a temperature superiori a 600°C, in cui si formano ossido di calcio (CaO) e anidride carbonica (CO2) secondo la seguente equazione:
Mentre il CaO solido rimane nel crogiolo del campione, la CO2 e il flusso di gas di spurgo lasciano lo strumento attraverso l'uscita. La quantità diCO2 accumulata può essere quantificata come perdita di massa.
La Figura 7 presenta i risultati di una serie di test eseguiti con le stesse condizioni di misura descritte per il PP. Le fasi di perdita di massa non dipendono dalla velocità di riscaldamento; le temperature di Reazione di decomposizioneUna reazione di decomposizione è una reazione termicamente indotta di un composto chimico che forma prodotti solidi e/o gassosi. decomposizione (minimo DTG) si spostano verso temperature più elevate all'aumentare della velocità di riscaldamento.
Il tasso di perdita di massa aumenta dal 5,1%/min al 128,8%/min quando la velocità di riscaldamento passa da 10 K/min a 500 K/min (Figura 8).
Ciò dimostra che l'influenza della velocità di riscaldamento sui risultati di misura segue una legge tracciabile.
Questa relazione è decisiva per il confronto dei risultati di misura determinati con diverse velocità di riscaldamento.
I materiali per prodotti come le pastiglie dei freni possono ora essere analizzati in condizioni operative. Durante la frenata, l'energia cinetica viene trasferita in calore per mezzo dell'attrito. Il materiale può quindi essere esposto a temperature molto elevate in un arco di tempo molto breve.
Velocità di riscaldamento di 500 K/min consentono di riprodurre analiticamente queste condizioni operative estreme (figura 9).
Tabella 1: Dati tecnici del forno ad alta velocità
Dati tecnici Forno ad alta velocità
| Atmosfera | Inerte, ossidante |
| Portacampioni | Standard STA |
| Velocità massima di riscaldamento (lineare) | 1000 K/min |
| Temperatura massima del campione | 1250°C |
Sintesi
Il nuovo forno ad alta velocità costituisce un'estensione della consolidata piattaforma 400, che ne aumenta il potenziale già versatile. Tra queste, la possibilità di combinare il forno ad alta velocità con altri forni su un dispositivo a doppio montante o con un sistema di cambio automatico dei campioni (ASC). La comparabilità dei risultati di misura del forno ad alta velocità con quelli di altri strumenti termogravimetrici è stata dimostrata utilizzando come esempio la PirolisiLa pirolisi è la decomposizione termica di composti organici in atmosfera inerte.pirolisi del polipropilene. Questo è un prerequisito importante per l'utilizzo illimitato del contenuto informativo delle misure a velocità di riscaldamento fino a 500 K/min.
La dipendenza dei risultati delle misure dalla variazione della velocità di riscaldamento mostra una correlazione lineare con una scala logaritmica della velocità di riscaldamento. Pertanto, sono possibili anche confronti con misure effettuate a velocità di riscaldamento convenzionali. Le fasi di perdita di massa non dipendono dalla variazione della velocità di riscaldamento.
Inoltre, utilizzando come esempio la Reazione di decomposizioneUna reazione di decomposizione è una reazione termicamente indotta di un composto chimico che forma prodotti solidi e/o gassosi. decomposizione termica del CaCO3, è stato dimostrato chiaramente che, sebbene la velocità di riscaldamento abbia un'influenza sui risultati delle misurazioni, essa segue anche una legge molto tracciabile.
L'utilizzo di velocità di riscaldamento elevate non comporta quindi alcuna perdita di informazioni e il fatto che ogni misurazione richieda solo pochi minuti comporta un enorme guadagno di tempo che aumenta notevolmente la produzione di campioni e quindi anche l'efficienza della strumentazione termoanalitica.
L'indagine termogravimetrica di una pastiglia per freni a 500 K/min ha anche permesso, oltre all'aumento della produttività, di analizzare per la prima volta in condizioni operative materiali esposti a condizioni termiche estreme.