19.05.2020 by Milena Riedl

Identify Vattenabsorption och bestämning av fukthalt med termogravimetrisk analys

Vatten är en av de viktigaste faktorerna som påverkar vårt klimat. Vår atmosfär är fylld med vatten. Vi kanske inte alltid kan se det, men det interagerar med oss och våra material. Lär dig hur termisk analys hjälper Identify vattenabsorption och bestämma vatteninnehåll.

tillsammans med Dr. Michael Schöneich, Application Specialist

Vatten är en av de viktigaste faktorerna som påverkar vårt klimat. Vår atmosfär är fylld med vatten. Vi kanske inte alltid kan se det, men det samspelar med oss och våra material.

Ett av de mest kända exemplen på luftfuktighet i vårt dagliga liv är när man tar ut en vattenflaska ur frysen en varm sommardag. Nästan omedelbart dyker det upp vattendroppar på vattenflaskans yta. Dessa vattendroppar är resultatet av kondenserad vattenånga från atmosfären.

Vi är omgivna av vatten

Luftfuktighet förekommer inte bara i vårt dagliga liv, utan påverkar också material genom att orsaka fysiska och kemiska interaktioner.

En fysikalisk interaktion kan vara absorption av vatten, vilket leder till att material expanderar. Om ett ämne eller material reagerar med vatten bildas en ny förening. Det mest framträdande exemplet på en sådan kemisk reaktion är korrosion av stål.

Vattnets interaktion med materialen leder till förändringar av egenskaperna (t.ex. minskad stabilitet på grund av korrosion) och/eller utseendemässiga eller optiska förändringar (t.ex. fuktstrimmor i formsprutade detaljer).

Bild 2: Minskad stabilitet på grund av korrosion (vänster) och fuktstrimmor (höger)

Praktiskt arbete: TGA-mätningar under fuktiga atmosfärer

Vad är termogravimetri?

Termogravimetrisk analys är en metod för termisk analys där massan hos ett prov mäts över tiden när temperaturen ändras. Mätningen ger information om fysikaliska fenomen som FasövergångarBegreppet fasövergång (eller fasförändring) används oftast för att beskriva övergångar mellan fast, flytande och gasformigt tillstånd.fasövergångar, absorption och desorption samt kemiska fenomen som termisk nedbrytning och Reaktioner mellan fasta ämnen och gaserFasta gasreaktioner är en typ av heterogena reaktioner i fast tillstånd som uppstår när ett reaktivt fast ämne utsätts för en ström av reaktiv gas. Typiska exempel på fast-gas-reaktioner är sorption och korrosion av metaller.fast-gasreaktioner (t.ex. OxideringOxidation kan beskriva olika processer i samband med termisk analys.oxidation eller reduktion).

Ett exempel från området polymerer

Syftet med följande analys var att bestämma materialets massförändring i en fuktig atmosfär. Därför utrustades en STA 449 F3 Jupiter® med enfuktighetsgenerator som producerar en definierad fuktighetsnivå genom att blanda vått och torrt gasflöde.

Experimentet utfördes på ett 250 μm folieprov av polyamid 6 med en vikt på 108,28 mg. Temperaturen hölls konstant vid 40°C och fuktighetssteg på 25% utfördes under temperaturprogrammet (blå kurva i figur 3).

Figur 3: Analys av ett polymerprov med STA vid en konstant temperatur på 40°C och fuktsteg på 25 %

I figur 3 representerar den gröna kurvan massförändringen. Vid varje steg i luftfuktigheten reagerar provet genom att dess massa ökar. Provet absorberar vatten och dess fukthalt ökar med den omgivande atmosfärens fukthalt.

Absorptionsprocessen är dessutom tidsberoende. Detta innebär att det finns kinetiska influenser, som också kan analyseras. Materialets diffusionskoefficient kan bestämmas med hjälp av fuktighetsuppställningen.

Exemplet visar att TGA som standardmetod är användbar för Identify fysikaliska interaktioner mellan material och luftfuktighet. Dessutom är det möjligt att bestämma det kvantitativa värdet av vattenabsorptionsinnehållet.

En tillämpning från området oorganiska ämnen

I denna applikation undersöktes zeoliten med en STA 449 F3 Jupiter®under en fuktig atmosfär. Zeolit är ett absorptionsmaterial som kan användas för att rena gasflöden eller för vattenabsorption i vissa rum och områden.

För att testa zeolitens prestanda utfördes två absorptions-/desorptionscykler vid en konstant temperatur på 20 °C och en relativ luftfuktighet på 10 %.

Figur 4: Analys av ett zeolitprov med STA vid en konstant temperatur på 20°C och en relativ luftfuktighet på 10%

För det första sker en ökning av massan när en fuktig atmosfär appliceras på provet. Materialet tar upp en viss mängd vatten, vilket i sin tur ökar dess massa. I torrgasflödet släpper materialet ifrån sig vatten. Den första cykeln fungerar som en testcykel för att testa den maximala absorptionsförmågan.

Cyklerna kan upprepas några gånger för att testa materialets cykelstabilitet. Efter den första aktiveringen är vattenavgivningen något mindre, vilket innebär att materialet är relativt stabilt i sin tillämpning med ett vattenupptag på ca 26%.

De två exemplen på identifiering av vattenabsorption och bestämning av vatteninnehåll visar att termogravimetrisk analys är en lämplig metod för att analysera fuktens effekter på ett material eller ämne.

I nästa blogginlägg kommer särskilt fokus att läggas på vattnets inverkan på de mekaniska egenskaperna och på bestämning av materialens förlängning på grund av vattenupptag.