Giriş
Tahmini ölçüm süresi - sonuçların güvenilirliği ve önemi ile birlikte - genellikle hemen hemen her analitik soruda önemli bir rol oynar. Analiz yöntemleri üretim süreçleriyle ne kadar yoğun bir şekilde ilişkilendirilirse, bu durum o kadar önemli hale gelir. Araştırmalardaarch ve yeni malzemelerin geliştirilmesinde, özelliklerin karakterizasyonu için ölçüm süreleri doğal olarak planlanırken, proses analizinde, ürün özelliklerinin ve ürün kalitesinin doğrulanması gereken aralıkları belirleyen üretim tesislerinin kapasitesidir. Bu nedenle kalite güvencesi için analizler genellikle üretim süreci sırasında on-line olarak gerçekleştirilmeli ya da en azından rastgele örnekleme kontrolü için birkaç dakika içinde gerçekleştirilebilmelidir.
Geçmişte, geleneksel analizler ölçüm programına bağlı olarak 30 dakikadan birkaç saate kadar sürdüğü için bu alanları termal analiz yoluyla kapsamak zordu. Ölçüm süresi öncelikle test edilecek malzemeye ve/veya karakteristik malzeme özellikleri için araştırılması gereken sıcaklık aralığına bağlıdır. Burada belirleyici parametreler aynı zamanda kullanılan ısıtma ve soğutma hızlarıdır. Bunlar da esasen fırınların ve analitik cihazların yapısal tasarımına bağlıdır. İşte bu noktada yeni geliştirilen yüksek hızlı fırın yeni standartlar belirlemektedir.
Geleneksel termoanalitik cihazlarda 1 K/dak ila 20 K/dak arasında ısıtma ve soğutma hızları yaygınken, potansiyel aralık 0,001 K/dak ila 100 K/dak arasındadır; yeni yüksek hızlı fırın ise 1000 K/dak'ya kadar ısıtma hızlarına izin vermektedir. 500 K/dak'lık bir ısıtma hızı, oda sıcaklığından 1000°C'ye kadar olan ölçüm süresini iki dakikanın altına indirmekte ve böylece numune verimini büyük ölçüde artırmaktadır.
Konsept
Yeni yüksek hızlı fırın tek başına bir cihaz gerektirmez, ancak iyi kurulmuş 400 platformunu başka bir fırın tipiyle genişletir. Platform konsepti, bir ölçüm cihazının iki fırın için çift fırın kaldırma cihazı ile donatılmasına olanak tanır. Bu nedenle yüksek hızlı fırın, diğer fırınlarla birlikte çift kaldırma cihazına monte edilebilir. İkinci bir fırın yerine, yüksek hızlı fırın için isteğe bağlı olarak bir otomatik numune değiştirici (ASC) kullanılabilir. Modüler esneklik ve özellikle yüksek hızlı fırının ASC ile birleştirilebilirliği büyük miktarda zaman tasarrufu sağlar ve böylece doğrudan numune veriminin artmasına neden olur.
STA 449 cihaz serisi için aşağıdaki fırın tipleri mevcutturF1 ve STA 449 F3 artık mevcut.
Kurulum
Şekil 2'de yüksek hızlı fırının bir kesiti gösterilmektedir. Yüksek hızlı fırının ölçüm başlıkları, numune sıcaklığı belirleme konumu, gaz akışı ve numune ile tartım odalarının ayrılması gibi ana tasarım noktaları açısından 400 platformunun diğer fırınlarından farklı olmadığı görülebilir.
Yüksek hızlı fırında çok çeşitli kroze tipleri ve malzemeleri de kullanılabilir. Bu, farklı fırın tipleri ile elde edildiğinde bile test sonuçlarının ideal karşılaştırılabilirliğini garanti eder.
Yüksek hızlı fırının asıl ısıtma elemanı dirençle ısıtılan platin ağdan oluşur. Koruyucu tüp, numune odasını dışarıdan ayırır ve numune odasının boşaltılması ve su basması yoluyla saf numune atmosferlerinde çalışmayı mümkün kılar.
Ölçüm Sonuçları
Yüksek ısıtma hızlarındaki ölçümlere ek olarak, test sonuçlarının diğer termoanalitik cihazlar kullanılarak elde edilenlerle karşılaştırılabilirliğini garanti etmek için yüksek hızlı fırın ile 10 K/dak ve 20 K/dak geleneksel ısıtma hızlarında da ölçümler gerçekleştirilmiştir.
Şekil 3'te zamana karşı ölçülen numune sıcaklığının sunumu, 10 K/dak ila 500 K/dak aralığında doğrusal ısıtma oranlarını göstermektedir.
Böylece, yüksek hızlı fırının hızlı ısıtma hızlarıyla sınırlı olması gerekmediği, aynı zamanda daha geleneksel uygulamaları da mükemmel şekilde idare edebildiği doğrulanmıştır.
Aynı test koşulları altında ısıtma hızının değiştirilmesi, ısıtma hızı arttıkça sonuçları daha yüksek sıcaklıklara kaydırır. Bu, özel olarak geliştirilen NETZSCH aracılığıyla ölçülen verilerin kinetik değerlendirmesine olanak tanıyan iyi bilinen bir korelasyondur Thermokinetics yazılım.
Isıtma hızlarındaki değişim ile ölçülen veriler üzerindeki etkiler arasındaki korelasyon biliniyor ve matematiksel olarak tanımlanabiliyorsa, örneğin NETZSCH yıllıklarında listelendiği gibi, ölçüm verilerinin bilinen örnek özelliklerine göre izlenebilirliğinden vazgeçmek zorunda kalmadan ölçümler hızlı bir şekilde gerçekleştirilebilir.
Örnek olarak polipropilenin (PP) pirolizi kullanılarak, sonuçların ısıtma hızına olan bağımlılığına dikkat çekilecektir.
Şekil 4 ilk olarak, polipropilen iki farklı termogravimetrik cihaz (TG 209 F1 ve STA 449 F1 ) kullanılarak aynı koşullar altında incelendiğinde ölçüm sonuçlarında önemli farklılıklar olmadığını göstermektedir.
Fırın eometrisi ve dolayısıyla temizleme gazlarının akış koşulları farklı olduğu için bu durum dikkate değerdir.
Bağıl kütle değişiminin (TGA) sonuçlarına ek olarak, şekil 4 bunun birinci türevini, yani kütle değişim oranlarını kesikli çizgiler (DTG) olarak göstermektedir. Kütle kaybı oranının maksimum olduğu (DTG eğrisinin minimum olduğu) 10, 20, 50, 100, 200 ve 500 K/dak ısıtma hızları için sıcaklıklar değerlendirildiğinde, propilenin pirolizinin ısıtma hızına bağımlılığı elde edilir. Bu, Şekil 5'te sunulmuştur.
Isıtma oranlarının logaritmik ölçeklendirilmesi, şekil 6'da görülebileceği gibi düz bir çizgi verir. Hem şekil 5 hem de 6'da y yönünde gösterilen hata çubukları gerçek hataları göstermez, sadece ± 2,5 K'lik bir güven aralığını gösterir.
Kalsiyum karbonatın (CaCO3) ısıl işlemi, aşağıdaki denkleme göre kalsiyum oksit (CaO) ve karbondioksitin (CO2) oluştuğu 600°C sıcaklıkların üzerinde bir Ayrışma reaksiyonuBir ayrışma reaksiyonu, katı ve/veya gaz ürünler oluşturan kimyasal bir bileşiğin termal olarak indüklenen bir reaksiyonudur. ayrışma reaksiyonu ile sonuçlanır:
Katı CaO numune potasında kalırken, CO2 ve boşaltma gazı akışının her ikisi de çıkış yoluyla cihazı terk etmektedir. Tahakkuk edenCO2 miktarı kütle kaybı olarak ölçülebilir.
Şekil 7, PP için açıklanan aynı ölçüm koşullarıyla gerçekleştirilen bir test serisinin sonuçlarını sunmaktadır. Kütle kaybı adımları ısıtma hızına bağlı değildir; ısıtma hızları arttıkça Ayrışma reaksiyonuBir ayrışma reaksiyonu, katı ve/veya gaz ürünler oluşturan kimyasal bir bileşiğin termal olarak indüklenen bir reaksiyonudur. ayrışma sıcaklıkları (DTG minimum) daha yüksek sıcaklıklara kayar.
Isıtma hızı 10 K/dak'dan 500 K/dak'ya çıkarıldığında kütle kaybı oranı %5,1/dak'dan %128,8/dak'ya yükselmektedir (Şekil 8).
Bu, ısıtma hızının ölçüm sonuçları üzerindeki etkisinin izlenebilir bir yasayı takip ettiğini göstermektedir.
Bu ilişki, farklı ısıtma hızlarında belirlenen ölçüm sonuçlarının karşılaştırılması için belirleyicidir.
Fren balataları gibi ürünler için malzemeler artık çalışma koşulları altında analiz edilebilir. Frenleme sırasında kinetik enerji sürtünme yoluyla ısıya aktarılır. Böylece malzeme çok kısa bir zaman dilimi içinde çok yüksek sıcaklıklara maruz kalabilir.
Dakikada 500 K'lik ısıtma hızları, bu aşırı çalışma koşullarının analitik olarak yeniden üretilmesini sağlar (Şekil 9).
Tablo 1: Yüksek hızlı fırının teknik verileri
Teknik Veriler Yüksek Hızlı Fırın
| Atmosfer | İnert, oksitleyici |
| Örnek Taşıyıcı | Standart STA |
| Maks. ısıtma hızı (doğrusal) | 1000 K/dak |
| Maks. örnek sıcaklığı | 1250°C |
Özet
Yeni yüksek hızlı fırın, halihazırda çok yönlü potansiyelini artıran köklü 400 platformunun bir uzantısını oluşturmaktadır. Bunlardan bazıları, yüksek hızlı fırının çift vinçli bir cihazda veya otomatik numune değiştirici (ASC) ile diğer fırınlarla birleştirilmesi olasılığını içerir. Yüksek hızlı fırının ölçüm sonuçlarının diğer termogravimetrik cihazlarla karşılaştırılabilirliği, örnek olarak poliopropilenin pirolizi kullanılarak gösterilmiştir. Bu, 500 K/dak'ya kadar ısıtma hızlarında ölçümlerin bilgi içeriğinin sınırsız kullanımı için önemli bir ön koşuldur.
Ölçüm sonuçlarının ısıtma hızının değişimine olan bağımlılığı, ısıtma hızının logaritmik ölçeklendirilmesi altında doğrusal bir korelasyon göstermektedir. Bu nedenle, geleneksel ısıtma hızlarındaki ölçümlerle karşılaştırma yapmak da mümkündür. Kütle kaybı adımlarının kendileri ısıtma hızlarının değişimine bağlı değildir.
Ayrıca, örnek olarak CaCO3'ün termal ayrışması kullanılarak, ısıtma hızının ölçüm sonuçları üzerinde bir etkisi olmasına rağmen, aynı zamanda çok izlenebilir bir yasayı takip ettiği açıkça gösterilmiştir.
Bu nedenle hızlı ısıtma hızlarının kullanılması herhangi bir bilgi kaybına neden olmaz ve her ölçümün yalnızca birkaç dakika sürmesi, numune verimini ve dolayısıyla termoanalitik cihazların verimliliğini büyük ölçüde artıran muazzam bir zaman kazancı sağlar.
Bir fren balatasının 500 K/dak'da termogravimetrik olarak incelenmesi, büyük ölçüde artan verime ek olarak, aşırı termal koşullara maruz kalan malzemelerin ilk kez çalışma koşulları altında analiz edilmesine de olanak sağlamıştır.