Inledning
The presence of residual oxygen is a well known problem in thermal analysis (please refer to the terminology given in DIN 51 005). When samples are to be investigated under inert gas conditions using for example, nitrogen, argon or helium as a purge gas, the presence of residual oxygen is decisive in most cases because possible OxideringOxidation kan beskriva olika processer i samband med termisk analys.oxidation of the sample would lead to undesired results and incorrect interpretations.
Metallic samples oxidizing on the surface exhibit an exothermic DSC signal as well as an increase in sample mass. The OxideringOxidation kan beskriva olika processer i samband med termisk analys.oxidation can also be responsible for a shift in the phase transformation temperatures. Polymers or composites containing organics would partially combust in the presence of residual oxygen which would falsify the measurement result during the nominally pyrolytic decomposition.
Residual oxygen in thermal analyzers is typically minimized by evacuating, backfilling and purging of the apparatus with a highly pure inert gas. This process should be repeated several times in order to minimize the oxygen concentration. The most important prerequisite for the lowest possible oxygen concentration is of course a vacuum-tight instrument. Thus, the concentration of residual oxygen depends on the vacuumtightness of the thermal analyzer, of the gas lines and of the gas connections as well as on the purity of the inert purge gas. Additional cleaning of the purge gas outside of the instrument can be helpful but does usually not yield completely satisfactory results.
Systemet OTS®
Systemet OTS® möjliggör en ytterligare, effektiv in-situ-reduktion av syrekoncentrationen på provplatsen. Figur 1 visar OTS® -systemet installerat i en samtidig termisk analysator (STA = TGA + DSC): Under prov- och referensdegeln, och därmed i instrumentets heta zon, finns ett mycket temperaturbeständigt gettermaterial som absorberar kvarvarande syre vid tillräckligt höga temperaturer. Gettermaterialet är placerat på ett keramiskt getterstöd, som också är mycket temperaturbeständigt och inte reagerar med gettermaterialet. Båda delarna, gettermaterialet och det keramiska getterstödet, placeras på strålningsskyddet på TGA-DSC-provbäraren.
Rotationssymmetrin säkerställer att OTS® -systemet inte är i direkt kontakt med provbäraren. Tack vare den slitsade utformningen av gettermaterialet och det keramiska getterstödet kan OTS® -systemet enkelt monteras eller demonteras. Den inerta spolgasen som strömmar uppåt kommer först i kontakt med gettermaterialet och sedan med provet. Resterande syre som finns i reningsgasen absorberas därför helt av gettermaterialet och kan därmed inte nå provet.
Resultat och diskussion
Två TGA-mätningar på zirkonium jämförs i figur 2; den ena med OTS® -systemet och den andra utan. Båda mätningarna utfördes i en dynamisk heliumatmosfär med en nominell renhet på 99,996%. Proverna hölls IsotermisktTester vid kontrollerad och konstant temperatur kallas isotermiska.isotermiskt vid 1000°C i ca 2 timmar. Utan OTS® -systemet ökade provmassan med en konstant hastighet och uppgick slutligen till 0,33 mg. Denna viktökning, som återspeglar oxidationen av provet, kunde undvikas med OTS® -systemet: Provmassan förblev nästan konstant. Utifrån dessa resultat kan man uppskatta att OTS® -systemet minskar den kvarvarande syrekoncentrationen på provplatsen till under ~1 ppm.
Ett annat exempel som visar fördelarna med OTS® -systemet visas i figur 3. Två nickelprover undersöktes med hjälp av en simultan termisk analysator. Argon purge gas med en renhet på 99,996% användes i båda fallen. Den i litteraturen angivna smältpunkten för nickel på 1455°C används ofta för termometri vid höga temperaturer. Nickel är dock mycket känsligt för OxideringOxidation kan beskriva olika processer i samband med termisk analys.oxidation, vilket kan leda till en odefinierad sänkning av smältpunkten och därmed till felaktig termometri. Detta kan ses i mätningen utan OTS® -systemet: Provet oxiderades, vilket resulterade i en ökning av TGA-kurvan på grund av massökningen. DSC-smältpunkten inträffade redan vid 1443°C, vilket är 12°C lägre än litteraturvärdet. Smältentalpin på 275 J/g är också betydligt lägre än litteraturvärdet på ca 300 J/g. Korrekta resultat, motsvarande litteraturvärden, erhölls med OTS® -systemet: DSC smälttoppen detekterades vid 1455°C och smältentalpin var 290 J/g.
På grund av OTS® -systemet oxiderades inte provet nämnvärt. Detta framgår av den horisontella TGA-kurvan, vilket innebär att provets massa var konstant under experimentets gång. I figur 4 visas slutligen två TGA-MS-mätningar på två grafiter som återigen utfördes i argon med en renhetsgrad på 99,996%. Den lilla massförlusten under ~600°C beror troligen på flyktiga kolväten, medan massförlusten vid högre temperaturer som observerats utan OTS® -systemet återspeglar den partiella uppbränningen av grafiten på grund av kvarvarande syre (streckade linjer): Masspektrometern upptäckte en ökning av signalen med massnummer 44, vilket beror påCO2 -utveckling; den gradvisa minskningen av signalen med massnummer 32 återspeglar motsvarande förbrukning av kvarvarande syre. Med OTS® -systemet förblev provmassan praktiskt taget konstant över ~600°C, vilket innebär att provet inte uppvisade någon ytterligare OxideringOxidation kan beskriva olika processer i samband med termisk analys.oxidation (heldragna linjer). Det fanns inte heller någonCO2-utveckling i det temperaturområdet. Från syresignalen (massnummer 32) kan man också dra slutsatsen att OTS® -systemet börjar absorbera kvarvarande syre över ~300°C och reducerar syrekoncentrationen till ett minimum över ~500°C.
Slutsats
Syrefällorna på OTS® kan användas med olika termiska analysatorer (DSC, TGA, STA, DIL). Det avlägsnar spår av kvarvarande syre i gasatmosfären inuti instrumentet till koncentrationer långt under 1 ppm.