Inleiding
Geëvolueerde gasanalyse (EGA) gekoppeld aan thermische analysers zoals thermogravimetrie (TGA) of gelijktijdige thermische analyse (STA), wat verwijst naar gelijktijdige TGA-DSC, is een gevestigde waarde omdat het de waarde van TGA- of TGA-DSC-resultaten sterk verhoogt. De gevoelige en selectieve Fourier Transfrom Infrafed (FT-IR) techniek is vooral nuttig voor de analyse van organische moleculen, maar ook voor infrarood-actieve permanente gassen die tijdens de meeste ontledingsprocessen ontstaan. Dergelijke permanente gassen zoalsCO2 of SO2 zijn gasvormig onder omgevingsomstandigheden.
De koppelingsinterface tussen thermische analysers en FT-IR spectrometers wordt meestal gerealiseerd met verwarmde adapters en een flexibele, verwarmde transferleiding waar de verwarming nodig is om condensatie van geëvolueerde gassen op weg naar het FT-IR instrument te voorkomen. Hoewel er geïntegreerde softwareoplossingen beschikbaar zijn, zijn thermische en gasanalysatoren nog steeds fysiek gescheiden. Het pad door de transferleiding veroorzaakt bovendien een vertraging tussen het vrijkomen en de detectie van de geëvolueerde gassen en in sommige gevallen condensatie of interactie-effecten.
Voor dit werk werd de nieuwe directe Perseus koppeling van een STA-instrument en een FT-IR spectrometer zonder transferlijn gebruikt [1]. Een zeer small FT-IR spectrometer is direct bovenop de STA-oven gemonteerd, wat leidt tot een compact en volledig geïntegreerd STA-FT-IR koppelingssysteem met de naam Perseus STA 449 (zie figuur 1). Perseus is een nieuw lid van de NETZSCH familie van koppelingssystemen zoals geïllustreerd in figuur 2.
De korte interface naar de STA-oven (zie figuur 3) en de gascel van de FT-IR spectrometer worden verwarmd om het risico op condensatie te minimaliseren. Bovendien is er geen vloeibare stikstof nodig omdat de FT-IR detector van het DLaTGS-type bij kamertemperatuur werkt.
Het basisinstrument NETZSCH STA 449 F1 /F3 Jupiter® maakt het mogelijk om gelijktijdig TGA en DSC of DTA met hoge resolutie te meten in een breed temperatuurbereik van -150°C tot 2400°C, afhankelijk van de gebruikte oven en monsterdrager.
Experimenteel
Een PTFE/grafietverbinding met een initiële monstermassa van 11,54 mg werd gemeten in Pt-kroezen met doorboorde deksels bij een verwarmingssnelheid van 10 K/min. De gasatmosfeer (debiet 70 ml/min) werd omgeschakeld van zuiver argon naar synthetische lucht bij 870 °C. Er werd een TGA-DSC monsterdrager type S en een rhodiumoven gebruikt. De TGA-DSC-resultaten werden gecorrigeerd voor de basislijn (leegloopsignalen werden afgetrokken) en FT-IR-acquisitie werd uitgevoerd met een resolutie van 4 cm-1 en 16 scans werden gemiddeld voor één FT-IR-spectrum waarbij één scan ongeveer 1s duurde.
Resultaten en discussie
De Perseus koppeling is zeer geschikt voor veel toepassingen [1]. Als voorbeeld worden de resultaten van de bovengenoemde PTFE/grafietverbinding - die bijvoorbeeld kan worden toegepast als smeermiddel - getoond [2]: figuur 4 toont de TGA-DSC resultaten samen met de Gram-Schmidt curve. De Gram-Schmidt-curve geeft de intensiteitsverandering van de gehele gedetecteerde IR-absorptie weer. Bij ongeveer 349 °C (piektemperatuur) laat het DSC-signaal een EndothermEen monsterovergang of reactie is endotherm als er warmte nodig is voor de omzetting.endotherm effect zien dat te wijten is aan het Smelttemperaturen en -getallenDe enthalpie van fusie van een stof, ook wel latente warmte genoemd, is een maat voor de energie-input, meestal warmte, die nodig is om een stof om te zetten van vaste naar vloeibare toestand. Het smeltpunt van een stof is de temperatuur waarbij de toestand verandert van vast (kristallijn) naar vloeibaar (isotroop smeltpunt). smelten van de PTFE-inhoud. Tussen ongeveer 480°C en 620°C treedt een massaverlies van 97,4% op samen met een EndothermEen monsterovergang of reactie is endotherm als er warmte nodig is voor de omzetting.endotherm DSC-effect en een piek in het Gram-Schmidt-signaal. In dit bereik vindt pyrolytische ontleding van het PTFE-gehalte plaats. Bij 870°C werd de gasatmosfeer omgeschakeld van inert naar oxiderend, wat leidde tot een exotherme opbranding van het grafietgehalte van ongeveer 2,1%. De restmassa van ongeveer 0,6% is hoogstwaarschijnlijk toe te schrijven aan een keramische vulstof.
De "3-D kubus" in figuur 5 toont de IR-absorptie als functie van het golfgetal en de temperatuur, samen met de TGA-curve. Tijdens de eerste massaverliesstap kunnen de bekende absorptiebanden van tetrafluorethyleen, C2F4, voornamelijk worden geïdentificeerd in het bereik tussen 1100 cm-1 en 1400 cm-1 (evenals sporen van HF in het bereik tussen 4000 cm-1 en 4200 cm-1). De banden die zijn gedetecteerd tijdens de tweede massaverliesstap, voornamelijk in het bereik tussen 2200 cm-1 en 2400 cm-1, kunnen worden toegeschreven aanCO2 dat tijdens de verbranding wordt gevormd. Tot slot toont figuur 6 de karakteristieke integratietrajecten voor C2F4 enCO2 als functie van de temperatuur, waaruit opnieuw een uitstekende correlatie tussen massaverliesstappen en geëvolueerde gassen blijkt.
Conclusie
Het gepresenteerde toepassingsvoorbeeld toont aan dat Perseus gelijktijdige registratie van TGA en DSC mogelijk maakt en tegelijkertijd detectie van de geëvolueerde gassen door middel van FT-IR. De volledige STA-FT-IR resultaten maken kwantificering en identificatie van elke monstercomponent mogelijk, omdat aanvankelijk niet-geïdentificeerde gassen vaak kunnen worden geïdentificeerd door middel van een databasezoekopdracht [1]. Er is een zeer goede correlatie aangetoond tussen de gedetecteerde massaverliezen en de geëvolueerde gassen, wat een voordeel is van de directe koppelingsinterface. Al met al is de nieuwe Perseus STA 449 F1 /F3 een krachtige, directe STA-FT-IR koppeling zonder transferlijn die zich vooral onderscheidt door zijn compactheid.