Термический анализ

                                   Термический анализ

Термический анализ — изучает изменение свойств материалов под воздействием температуры.

Визуальный  метод термического анализа состоит в наблюдении и измерении температуры первого появления (исчезновения) неоднородности (например, выпадения кристаллов, исчезновения мути в системе двух несмешивающихся жидкостей) в изучаемой среде при её охлаждении (или нагревании). Он применим только к прозрачным легкоплавким объектам. Гораздо более общим является метод построения кривых "время - температура". Нагревая (охлаждая) изучаемый объект, измеряют через небольшие промежутки времени его температуру; результаты измерений изображают графически, откладывая время по оси абсцисс, а температуру - по оси ординат. При отсутствии превращений кривая нагревания (охлаждения) идёт плавно; превращения отражаются появлением на кривой изломов или горизонтальных участков ("остановок"). Для записи кривых нагревания и охлаждения используют самопишущие приборы.

С помощью  термического анализа решается задача получения количественных характеристик (например, фазовый состав, теплота реакций) при нагревании (охлаждении) исследуемых объектов. Термический анализ широко применяется при изучении сплавов металлов и других сплавов, а также минералов и других геологических пород.

Обычно  выделяют дифференциально-термический  анализ и термогравиметрический анализ. 
 
 
 
 
 

                                  Термогравиметрия

Термогравиметрия  — метод исследования (анализа) состава  вещества по изменению веса нагреваемого вещества в зависимости от температуры. Термогравиметрический анализ широко используется в  исследовательской практике для определения температуры деградации полимеров, влажности различных материалов, доли органических и неорганических компонентов, точки разложения взрывчатых веществ и сухого остатка растворенных веществ. Метод также пригоден для определения скорости коррозии при высоких температурах.

Поскольку многие термогравиметрические кривые выглядят сходно, может потребоваться их дополнительная обработка, прежде чем они могут быть правильно интерпретированы. Производная термогравиметрической кривой позволяет установить точку, в которой изменение веса происходит наиболее быстро. Возможны два способа проведения термогравиметрического эксперимента: изотермический, термогравиметрический при постоянной температуре печи, и наиболее распространенный-динамический, термогравиметрический при изменении температуры печи во времени (обычно при постоянной скорости нагрева). В результате получают кривые зависимости изменения массы Dm образца (термогравиметрическая кривая) либо скорости изменения массы (дифференциальная термогравиметрическая кривая) от времени или от температуры.

Воспроизводимость термогравиметрических кривых плохая, на их вид влияют много факторов: скорость нагрева, форма печи, природа материала контейнера для образца, размер частиц исследуемого образца (а иногда и их форма), его масса, плотность, теплопроводность. Растворимость в нем выделяющихся газов. Атмосфера в печи, место расположения термопары и термогравиметрия. Тем не менее различные участки кривой позволяют определить термин, устойчивость исходного образца, промежуточных соединений и конечного продукта. Зная состав исходного образца, можно рассчитать состав соединени на разных стадиях термического разложения. Обычно для характеристики вещества методом термогравиметрия фиксируют начальную (Тн) и конечную (Тк) температуры разложения. Разность Тк — Тн называют интервалом реакции. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

                                        Методика

Термоанализатор состоит из высокоточных весов с  тиглями (как правило, платиновыми), которые размещаются в камере небольшой электропечи. В непосредственной близости от образца, например, под  донышком тигля, находится контрольная  термопара, с высокой точностью измеряющая температуру. Камера печи может заполняться инертным газом для предотвращения окисления или иных нежелательных реакций. Для управления измеряющей аппаратурой и снятия показаний используется компьютер.

В процессе анализа температура поднимается с постоянной скоростью, и записывается изменение массы в зависимости от температуры. Верхний предел температуры ограничен только возможностями прибора, и может достигать 1500 °C и более. При этом, благодаря хорошей теплоизоляции печи температура на ее внешней поверхности невысока и не вызывает ожога.

В методе термогравиметрического анализа высокого разрешения такое достигается за счет наличия петли обратной связи между весом образца и его температурой. Нагрев замедляется по мере изменения веса образца, и, таким образом, температуру, при которой изменяется вес можно установить с большой точностью. Многие современные термоанализаторы позволяют подключить к выходному штуцеру печи инфракрасный спектрофотометр для непосредственного анализа химического состава газа. 
 
 
 
 
 
 
 

       Установка термогравиметрического анализатора 

Технические характеристики  термогравиметрического анализатора

Диапазоны рабочих температур – от комнатной  температуры до 1600С;

Скорость  нагрева – от 0,01 до 250 С/мин;

Встроенные  весы;

Относительная погрешность измерения энтальпии  – не более 3%;

Расход  реакционного газа – до 200 мл/мин;

Объем тиглей – от 20 до 900мкл;

Автоматический  податчик на 34 образца. 
 
 
 
 
 
 
 

                   Дифференциально-термический анализ

Дифференциальный термический анализ (ДТА) — метод исследования, заключающийся в нагревании или охлаждении образца с определенной скоростью и записи временной зависимости разницы температур между исследуемым образцом и образцом сравнения (эталоном), не претерпевающим никаких изменений в рассматриваемом температурном интервале.

Сущность  метода заключается в измерении  разностей температур между исследуемым  и эталонным образцами при  их одновременном и идентичном нагреве  или охлаждении (дифференциальной температуры). В качестве эталонного образца используется инертное вещество с близкими к исследуемому веществу значениями теплоемкости и теплопроводности, которое в исследуемом диапазоне температур не испытывает никаких структурных и фазовых изменений. Таким образом возникающая при одновременном нагреве или охлаждении исследуемого и эталонного образцов разность температур между ними обусловливается эндо- или экзотермическими превращениями или реакциями в исследуемом образце.

При исследованиях  халькогенидных стеклообразных полупроводников ДТА служит для сравнительного анализа характеристик их молекулярной структуры с целью оценки степени пригодности материала для производства того или иного вида приборов. С помощью ДТА возможно определять и абсолютные характеристики материала: температуру и энергию активации фазовых превращений, теплоты фазовых превращений. 
 
 
 

Некоторые характерные задачи, решаемые при  использовании метода ДТА

-определение  температур фазовых переходов  1-го рода (плавления, кристаллизации, кипения и проч.);

-определение  теплофизических характеристик  веществ (энтальпии, энтропии, теплоемкости  и т.д.);

-изучение  тепловых эффектов химического  взаимодействия конденсированных  веществ или конденсированных  веществ и газовой фазы (окисление,  восстановление и проч.). 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Схема прибор дифференциально–термического анализатора

В платиновый тигель помещают навеску полимера 1 (желательно в виде мелкодисперсного порошка), а в другую - примерно такой же объем эталонного вещества 2. Тигли устанавливают в прибор на торцы вертикально стоящих фарфоровых трубок.

7-термокамера, в которой температура задается термопарой 8 с регулятором 9.

Дисками программного управления задают начальное  напряжение, скорость повышения температуры (обычно 5 град/мин) и конечную температуру. В ячейках установлены термопары 3, с помощью которых приборами 4 и 5 регистрируется разность ДТА. (рис 2)