Introdução
O tempo estimado de medição - juntamente com a confiabilidade e a importância dos resultados - geralmente desempenha um papel importante em quase todas as questões analíticas. Quanto mais intensamente os métodos de análise são vinculados aos processos de produção, mais importante isso se torna.arcEnquanto na pesquisa e no desenvolvimento de novos materiais, os tempos de medição para a caracterização das propriedades são programados naturalmente, na análise em processo, é a capacidade das plantas de produção que determina os intervalos em que as propriedades e a qualidade do produto devem ser verificadas. Portanto, as análises para garantia de qualidade devem ser realizadas on-line durante o processo de produção ou, pelo menos, devem ser possíveis de serem realizadas no espaço de alguns minutos para o controle de amostragem aleatória.
No passado, era difícil cobrir essas áreas por meio da análise térmica, pois as análises convencionais levavam de 30 minutos a várias horas, dependendo do programa de medição. O tempo de medição depende principalmente do material a ser testado e/ou da faixa de temperatura que deve ser investigada para as propriedades características do material. Os parâmetros decisivos aqui também são as taxas de aquecimento e resfriamento empregadas. Essas, por sua vez, dependem essencialmente do projeto de construção dos fornos e dos instrumentos analíticos. E é nesse ponto que o forno de alta velocidade recém-desenvolvido estabelece novos padrões.
Com instrumentos termoanalíticos convencionais, taxas de aquecimento e resfriamento de 1 K/min a 20 K/min são comuns, enquanto a faixa potencial é de 0,001 K/min a 100 K/min; o novo forno de alta velocidade, por outro lado, permite taxas de aquecimento de até 1.000 K/min. Uma taxa de aquecimento de 500 K/min já reduz o tempo de medição da temperatura ambiente a 1.000°C para menos de dois minutos e, portanto, aumenta enormemente o rendimento da amostra.
Conceito
O novo forno de alta velocidade não requer um instrumento autônomo, mas amplia a bem estabelecida plataforma 400 com outro tipo de forno. O conceito de plataforma permite equipar um instrumento de medição com um dispositivo de elevação de forno duplo para dois fornos. O forno de alta velocidade pode, portanto, ser montado no dispositivo de içamento duplo combinado com outros fornos. Em vez de um segundo forno, um trocador automático de amostras (ASC) pode ser usado opcionalmente para o forno de alta velocidade. A flexibilidade modular e, particularmente, a possibilidade de combinação do forno de alta velocidade com o ASC economiza muito tempo e, portanto, resulta diretamente em um maior rendimento da amostra.
Os seguintes tipos de forno para as séries de instrumentos STA 449F1 e STA 449 F3 estão agora disponíveis.
Configuração
A Figura 2 mostra uma seção transversal do forno de alta velocidade. Pode-se observar que o forno de alta velocidade não difere dos outros fornos da plataforma 400 com relação aos principais pontos de projeto, como cabeçotes de medição, posição da determinação da temperatura da amostra, fluxo de gás e separação da amostra e das câmaras de pesagem.
A grande variedade de tipos e materiais de cadinhos também pode ser usada no forno de alta velocidade. Isso garante a comparabilidade ideal dos resultados dos testes, mesmo quando obtidos com diferentes tipos de fornos.
O elemento de aquecimento real do forno de alta velocidade consiste em uma malha de platina aquecida por resistência. O tubo de proteção separa a câmara de amostras do exterior e possibilita o trabalho em atmosferas de amostras puras por meio da evacuação e inundação da câmara de amostras.
Resultados da medição
Além das medições com altas taxas de aquecimento, também foram realizadas medições com taxas de aquecimento convencionais de 10 K/min e 20 K/min com o forno de alta velocidade para garantir a comparabilidade dos resultados dos testes com os obtidos com outros instrumentos termoanalíticos.
A apresentação da temperatura da amostra medida em relação ao tempo na Figura 3 mostra taxas de aquecimento lineares na faixa de 10 K/min a 500 K/min.
Assim, foi confirmado que o forno de alta velocidade não precisa se limitar a taxas de aquecimento rápidas, mas que também é perfeitamente capaz de lidar com aplicações mais convencionais.
A variação da taxa de aquecimento sob condições de teste idênticas altera os resultados para temperaturas mais altas à medida que a taxa de aquecimento aumenta. Essa é uma correlação bem conhecida que permite ainda a avaliação cinética dos dados medidos por meio do software especialmente desenvolvido NETZSCH Thermokinetics especialmente desenvolvido.
Se a correlação entre a variação nas taxas de aquecimento e os efeitos sobre os dados medidos for conhecida e puder ser descrita matematicamente, as medições poderão ser realizadas rapidamente sem que seja necessário abrir mão da rastreabilidade dos dados de medição em relação às propriedades conhecidas da amostra, conforme listado nos anuários NETZSCH, por exemplo.
Usando a PiróliseA pirólise é a decomposição térmica de compostos orgânicos em uma atmosfera inerte.pirólise do polipropileno (PP) como exemplo, a dependência dos resultados da taxa de aquecimento deve ser apontada.
A Figura 4 mostra inicialmente que não há diferenças significativas nos resultados das medições quando o polipropileno é investigado em condições idênticas usando dois instrumentos termogravimétricos diferentes (TG 209 F1 e STA 449 F1 ).
Isso é digno de nota, pois a eometria do forno e, portanto, também as condições de fluxo dos gases de purga são diferentes.
Além dos resultados da mudança de massa relativa (TGA), a figura 4 mostra sua primeira derivada, ou seja, as taxas de mudança de massa, como linhas tracejadas (DTG). Ao avaliar as temperaturas para as taxas de aquecimento de 10, 20, 50, 100, 200 e 500 K/min, onde a taxa de perda de massa está no máximo (mínimo da curva DTG), obtém-se a dependência da taxa de aquecimento da PiróliseA pirólise é a decomposição térmica de compostos orgânicos em uma atmosfera inerte.pirólise do propileno. Isso é apresentado na Figura 5.
A escala logarítmica das taxas de aquecimento produz uma linha reta, como pode ser visto na figura 6. As barras de erro mostradas nas figuras 5 e 6 na direção y não exibem erros reais, mas representam apenas um intervalo de confiança de ± 2,5 K.
O tratamento térmico do carbonato de cálcio (CaCO3) resulta em uma Reação de decomposiçãoUma reação de decomposição é uma reação induzida termicamente de um composto químico que forma produtos sólidos e/ou gasosos. reação de decomposição acima de temperaturas de 600°C, em que o óxido de cálcio (CaO) e o dióxido de carbono (CO2) são formados de acordo com a seguinte equação:
Enquanto o CaO sólido permanece no cadinho de amostra, o CO2 e o fluxo de gás de purga estão saindo do instrumento pela saída. A quantidade deCO2 acumulada pode ser quantificada como uma perda de massa.
A Figura 7 apresenta os resultados de uma série de testes que foi realizada com as mesmas condições de medição descritas para o PP. As etapas de perda de massa não dependem da taxa de aquecimento; as temperaturas de Reação de decomposiçãoUma reação de decomposição é uma reação induzida termicamente de um composto químico que forma produtos sólidos e/ou gasosos. decomposição (DTG mínimo) são deslocadas para temperaturas mais altas à medida que as taxas de aquecimento aumentam.
A taxa de perda de massa aumenta de 5,1%/min para 128,8%/min quando a taxa de aquecimento é aumentada de 10 K/min para 500 K/min (Figura 8).
Isso mostra que a influência da taxa de aquecimento nos resultados da medição segue uma lei rastreável.
Essa relação é decisiva para a comparação dos resultados de medição que foram determinados em diferentes taxas de aquecimento.
Materiais para produtos como pastilhas de freio podem agora ser analisados sob condições operacionais. Durante a frenagem, a energia cinética é transferida para o calor por meio do atrito. Assim, o material pode ser exposto a temperaturas muito altas em um período de tempo muito curto.
Taxas de aquecimento de 500 K/min permitem que essas condições operacionais extremas sejam reproduzidas analiticamente (figura 9).
Tabela 1: Dados técnicos do forno de alta velocidade
Dados técnicos Forno de alta velocidade
| Atmosfera | Inerte, oxidante |
| Transportador de amostras | Padrão STA |
| Taxa máxima de aquecimento (linear) | 1000 K/min |
| Temperatura máxima da amostra | 1250°C |
Resumo
O novo forno de alta velocidade constitui uma extensão da bem estabelecida plataforma 400, que aumenta seu potencial já versátil. Algumas dessas possibilidades incluem a possibilidade de combinar o forno de alta velocidade com outros fornos em um dispositivo de guincho duplo ou com um trocador automático de amostras (ASC). A comparabilidade dos resultados de medição do forno de alta velocidade com os de outros instrumentos termogravimétricos foi demonstrada usando a PiróliseA pirólise é a decomposição térmica de compostos orgânicos em uma atmosfera inerte.pirólise do polipropileno como exemplo. Esse é um pré-requisito importante para a utilização irrestrita do conteúdo de informações das medições em taxas de aquecimento de até 500 K/min.
A dependência dos resultados da medição em relação à variação da taxa de aquecimento mostra uma correlação linear sob escala logarítmica da taxa de aquecimento. Portanto, também é possível fazer comparações com medições em taxas de aquecimento convencionais. As etapas de perda de massa em si não dependem da variação das taxas de aquecimento.
Além disso, usando a Reação de decomposiçãoUma reação de decomposição é uma reação induzida termicamente de um composto químico que forma produtos sólidos e/ou gasosos. decomposição térmica do CaCO3 como exemplo, foi demonstrado claramente que, embora a taxa de aquecimento tenha influência sobre os resultados da medição, ela também segue uma lei bastante rastreável.
O uso de taxas de aquecimento rápidas, portanto, não resulta em nenhuma perda de informações, e o fato de que cada medição leva apenas alguns minutos gera um enorme ganho de tempo, o que aumenta muito o rendimento da amostra e, portanto, também a eficiência da instrumentação termoanalítica.
A investigação termogravimétrica de uma pastilha de freio a 500 K/min também permitiu, além do aumento significativo da produtividade, que os materiais expostos a condições térmicas extremas fossem analisados em condições operacionais pela primeira vez.