Identificare l'assorbimento di acqua e determinare il contenuto di umidità con l'analisi termogravimetrica

L'acqua è una delle componenti principali che influenzano il nostro clima. La nostra atmosfera è piena di acqua. Non sempre riusciamo a vederla, ma interagisce con noi e con i nostri materiali.

Uno degli esempi più noti di umidità nella nostra vita quotidiana si può osservare quando si tira fuori dal freezer una bottiglia d'acqua in una calda giornata estiva. Quasi immediatamente, sulla superficie della bottiglia appaiono delle gocce d'acqua. Queste gocce d'acqua sono il risultato della condensazione del vapore acqueo presente nell'atmosfera.

Siamo circondati dall'acqua

L'umidità non compare solo nella nostra vita quotidiana, ma influenza anche i materiali causando interazioni fisiche e chimiche.

Un'interazione fisica può essere l'assorbimento di acqua, che porta all'espansione dei materiali. Se una sostanza o un materiale reagisce con l'acqua, si forma un nuovo composto. L'esempio più evidente di questa reazione chimica è la corrosione dell'acciaio.

Di conseguenza, l'interazione dell'acqua con i materiali provoca cambiamenti di proprietà (ad esempio, riduzione della stabilità a causa della corrosione) e/o cambiamenti estetici o ottici (ad esempio, striature di umidità nelle parti stampate a iniezione).

Figura 2: Riduzione della stabilità a causa della corrosione (sinistra) e delle striature da umidità (destra)

Esperienza diretta: Misure TGA in atmosfera umida

Che cos'è la termogravimetria?

L'analisi termogravimetrica è un metodo di analisi termica in cui la massa di un campione viene misurata nel tempo al variare della temperatura. Questa misurazione fornisce informazioni sui fenomeni fisici, come le Transizioni di faseIl termine transizione di fase (o cambiamento di fase) è più comunemente usato per descrivere le transizioni tra gli stati solido, liquido e gassoso.transizioni di fase, l'assorbimento e il desorbimento, nonché sui fenomeni chimici, tra cui 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 e le Reazioni solido-gasLe reazioni solido-gas sono un tipo di reazione eterogenea allo stato solido che si verifica quando un solido reattivo è esposto a un flusso di gas reattivo. Esempi tipici di reazioni solido-gas sono l'assorbimento e la corrosione dei metalli.reazioni solido-gas (ad esempio, OssidazioneL'ossidazione può descrivere diversi processi nel contesto dell'analisi termica.ossidazione o riduzione).

Un esempio dal campo dei polimeri

L'obiettivo della seguente analisi era la determinazione della variazione di massa del materiale in un'atmosfera umida. Pertanto, uno STA 449 F3 Jupiter^® è stato dotato di un generatore di umidità che produce un livello di umidità definito miscelando un flusso di gas umido e secco.

L'esperimento è stato condotto su un campione di foglio da 250 μm di poliammide 6 con un peso di 108,28 mg. La temperatura è stata mantenuta costante a 40°C e durante il programma di temperatura sono stati eseguiti incrementi di umidità del 25% (curva blu nella figura 3).

Figura 3: Analisi di un campione di polimero mediante STA a una temperatura costante di 40°C e passi di umidità del 25%

Nella figura 3, la curva verde rappresenta la variazione di massa. Ad ogni passo di umidità, il campione risponde all'aumento della sua massa. Il campione assorbe acqua e il suo contenuto di umidità aumenta con il contenuto di umidità dell'atmosfera circostante.

Inoltre, il Processo di assorbimentoL'assorbimento è un processo fisico e chimico mediante il quale una sostanza (tipicamente un gas o un liquido) si accumula all'interno di un'altra fase o sul confine di fase di due fasi. A seconda del luogo di accumulo, si distingue tra assorbimento (accumulo in una fase) e adsorbimento (accumulo al confine di fase).processo di assorbimento dipende dal tempo. Ciò significa che esistono influenze cinetiche, che possono essere analizzate. Il coefficiente di diffusione del materiale può essere determinato con l'aiuto della configurazione dell'umidità.

L'esempio dimostra che la TGA come metodo standard è utile per identificare le interazioni fisiche dei materiali con l'umidità. Inoltre, è possibile determinare il valore quantitativo del contenuto di assorbimento d'acqua.

Un'applicazione dal campo dell'inorganica

In questa applicazione, la zeolite è stata analizzata con uno STA 449 F3 Jupiter^®in atmosfera umida. La zeolite è un materiale assorbente che può essere utilizzato per la pulizia dei flussi di gas o per l'assorbimento dell'acqua in determinati ambienti e aree.

Per testare le prestazioni della zeolite, sono stati eseguiti due cicli di assorbimento/desorbimento a una temperatura costante di 20°C e un'umidità relativa del 10%.

Figura 4: Analisi di un campione di zeolite mediante STA a una temperatura costante di 20°C con un'umidità relativa del 10%

In primo luogo, si verifica un aumento della massa quando al campione viene applicata un'atmosfera umida. Il materiale assorbe una certa quantità di acqua che, a sua volta, ne aumenta la massa. Nel flusso di gas secco, il materiale rilascia acqua. Il primo ciclo funge da ciclo di prova per testare la capacità massima di assorbimento.

I cicli possono essere ripetuti alcune volte per testare la stabilità del ciclo del materiale. Dopo la prima attivazione, il rilascio di acqua è leggermente inferiore, il che significa che il materiale è relativamente stabile nella sua applicazione con un assorbimento di acqua di circa il 26%.

I due esempi di identificazione dell'assorbimento d'acqua e di determinazione del contenuto d'acqua dimostrano che l'analisi termogravimetrica è un metodo adatto per analizzare gli effetti dell'umidità su un materiale o una sostanza.

Nei prossimi articoli del blog, un'attenzione particolare sarà dedicata all'influenza dell'acqua sulle proprietà meccaniche e alla determinazione dell'estensione dei materiali dovuta all'assorbimento di acqua.

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