Thermogravimetric analysis or therm

Thermogravimetric analysis or thermal gravimetric analysis (TGA) is a method of thermal analysis in which changes in physical and chemical properties of materials are measured as a function of increasing temperature (with constant heating rate), or as a function of time (with constant temperature and/or constant mass loss).[1] TGA can provide information about physical phenomena, such as second-order phase transitions, including vaporization, sublimation, absorption, adsorption, and desorption. Likewise, TGA can provide information about chemical phenomena including chemisorptions, desolvation (especially dehydration), decomposition, and solid-gas reactions (e.g., oxidation or reduction).[1]

TGA is commonly used to determine selected characteristics of materials that exhibit either mass loss or gain due to decomposition, oxidation, or loss of volatiles (such as moisture). Common applications of TGA are (1) materials characterization through analysis of characteristic decomposition patterns, (2) studies of degradation mechanisms and reaction kinetics, (3) determination of organic content in a sample, and (4) determination of inorganic (e.g. ash) content in a sample, which may be useful for corroborating predicted material structures or simply used as a chemical analysis. It is an especially useful technique for the study of polymeric materials, including thermoplastics, thermosets, elastomers, composites, plastic films, fibers, coatings and paints. Discussion of the TGA apparatus, methods, and trace analysis will be elaborated upon below. Thermal stability, oxidation, and combustion, all of which are possible interpretations of TGA traces, will also be discussed.

Contents

1 Instrumental apparatus
2 Methods
3 Trace analysis
4 Ceramic yield
5 Thermal stability
6 Oxidation processes
7 Combustion
8 References

Instrumental apparatus

Thermogravimetric analysis (TGA) relies on a high degree of precision in three measurements: mass change, temperature, and temperature change. Therefore, the basic instrumental requirements for TGA are a precision balance with a pan loaded with the sample, and a programmable furnace. The furnace can be programmed either for a constant heating rate, or for heating to acquire a constant mass loss with time.

Though a constant heating rate is more common, a constant mass loss rate can illuminate specific reaction kinetics. For example, the kinetic parameters of the carbonization of polyvinyl butyral were found using a constant mass loss rate of 0.2 wt %/min.[2] Regardless of the furnace programming, the sample is placed in a small, electrically heated furnace equipped with a thermocouple to monitor accurate measurements of the temperature by comparing its voltage output with that of the voltage-versus-temperature table stored in the computer’s memory. A reference sample may be placed on another balance in a separate chamber. The atmosphere in the sample chamber may be purged with an inert gas to prevent oxidation or other undesired reactions. A different process using a quartz crystal microbalance has been devised for measuring smaller samples on the order of a microgram (versus milligram with conventional TGA).[3]
Methods

The TGA instrument continuously weighs a sample as it is heated to temperatures of up to 2000 °C for coupling with FTIR and Mass spectrometry gas analysis. As the temperature increases, various components of the sample are decomposed and the weight percentage of each resulting mass change can be measured. Results are plotted with temperature on the X-axis and mass loss on the Y-axis. The data can be adjusted using curve smoothing and first derivatives are often also plotted to determine points of inflection for more in-depth interpretations (see discussion on Trace Analysis). TGA instruments can be temperature calibrated with melting point standards or Curie point of ferromagnetic materials such as Fe or Ni. A ferromagnetic material is placed in the sample pan which is placed in a magnetic field. The standard is heated and at the Curie point the material becomes paramagnetic which nullifies the apparent weight change effect of the magnetic field.[12]
Trace analysis

If the identity of the product after heating is known, then the ceramic yield can be found from analysis of the ash content (see discussion below). By taking the weight of the known product and dividing it by the initial mass of the starting material, the mass percentage of all inclusions can be found. Knowing the mass of the starting material and the total mass of inclusions, such as ligands, structural defects, or side-products of reaction, which are liberated upon heating, the stoichiometric ratio can be used to calculate the percent mass of the substance in a sample. The results from thermogravimetric analysis may be presented by (1) mass versus temperature (or time) curve, referred to as the thermogravimetric curve, or (2) rate of mass loss versus temperature curve, referred to as the differential thermogravimetric curve. Though this is by no means an exhaustive list, simple thermogravimetric curves may contain the following features:

A horizontal portion, or plateau that indicates constant sample weight
A curved portion; the steepness of the curve indicates the rate of mass loss
An inflection (at which frac{dw}{dt} is a minimum, but not zero)

Certain features in the TGA curve that are not readily seen can be more clearly discerned in the first derivative TGA curve. For example, any change in the rate of weight loss can immediately be seen in the first derivative TGA curve as a trough, or as a shoulder or tail to the peak, indicating two consecutive or overlapping reactions. Differential TGA curves also can show considerable similarity to differential thermal analysis (DTA) curves, which can permit easy comparisons to be made.[1]
Ceramic yield

Ceramic yield is defined as the mass percent of starting material found in the end product. From this, stoichiometry can then be used to calculate the percent mass of the substance in the sample.

Metal aluminates (MAl2O4) are an important type of mixed-cation oxide ceramics that have many applications.[4] The metal aluminate CaAl2O4 is used in the cement industry as a hydraulic material.[4] Its precursor is CaAl2C18H37O9N3.[4] The formation of CaAl2O4 occurs during the thermogravimetric analysis. This is how the theoretical ceramic yield is calculated for this example:

(1) Calculate molecular weight of CaAl2O4:

40.078 + (2 imes 26.982) + (4 imes 15.999) = 158.038~ ext{g/mol}

(2) Calculate molecular weight of CaAl2C18H37O9N3:

40.078 +(2 imes 26.982) + (18 imes 12.011) + (37 imes 1.008) + (9 imes 15.999) + (3 imes 14.007) = 533.548~ ext{g/mol}

(3) Calculate the percentage that CaAl2O4 is of CaAl2C18H37O9N3:

frac{ ext{molecular weight of CaAl}_2 ext{O}_4}{ ext{molecular weight of CaAl}_2 ext{C}_{18}H_{37} ext{O}_9 ext{N}_3} imes 100 = frac{158.038~ ext{g/mol}}{533.548~ ext{g/mol}} imes 100 = 29.6\%

Therefore, the theoretical ceramic yield for the thermogravimetric analysis of CaAl2C18H37O9N3 is 29.6%. This correlates well with the experimentally determined ceramic yield of 28.9%.

As another example of calculating theoretical ceramic yield, take the TGA of calcium oxalate monohydrate. Using the same process detailed above, the theoretical ceramic yield can be calculated: the formula weight of calcium oxalate monohydrate is 146 g/mol. The final ceramic product is CaO, with a formula weight of 56 g/mol. The theoretical ceramic yield is therefore 38.4%. The actual yield from the TGA was found to be 39.75%. Some reasons for discrepancies between the theoretical and actual yields are trapped CO2 and the formation of metal carbides.

In the TGA trace of calcium oxalate monohydrate, the first mass loss corresponds to loss of water of hydration. The second mass loss corresponds to decomposition of dehydrated calcium oxalate to calcium carbonate and carbon monoxide and carbon dioxide. The last mass loss is due to the decomposition of calcium carbonate to calcium oxide and carbon dioxide.

The differences between thermograms can be seen in the example of four different chloro-polymers: (a) polyvinyl chloride, (b) chlorinated polyvinyl chloride, (c) chlorinated rubber, and (d) polyvinylidene chloride.[5] There are two stages of degradation in these four polymers. The first stage is the loss of hydrogen chloride, and is complete around 250 °C. This first step occurs at lower temperatures for the polymers containing more chlorine (chlorinated polyvinyl chloride, chlorinated rubber, and polyvinylidene chloride), implying that these chloride groupings are less stable than in polyvinyl chloride.[5]

The second stage is the carbonization of the polymer, and takes place between 250 °C and 500 °C. This is seen by the large loss of mass between 250 °C and 500 °C. Tar and simple gases, such as hydrogen and methane, are evolved and the carbon that remains loses very little mass between 500 °C and 900 °C. In this second stage, the higher the chlorine content of the polymer, the lower the yield of tar. This is because chlorine is able to remove hydrogen, which would otherwise be used in the compounds that form tar.[5]
Thermal stability

TGA can be used to evaluate the thermal stability of a material. In a desired temperature range, if a species is thermally stable, there will be no observed mass change. Negligible mass loss corresponds to little or no slope in the TGA trace. TGA also gives the upper use temperature of a material. Beyond this temperature the material will begin to degrade.

TGA has a wide variety of applications, including analysis of ceramics and thermally stable polymers. Ceramics usually melt before they decompose as they are thermally stable over a large temperature range, thus TGA is mainly used to investigate the thermal stability of polymers. Most polymers melt

النتائج (العربية) 1:

تحليل ثيرموجرافيميتريك أو تحليل الجاذبية الحراري (TGA) أسلوب للتحليل الحراري في أي تغييرات في المادية ويتم قياس خصائص المواد الكيميائية كدالة لدرجة الحرارة المتزايدة (بمعدل التسخين المستمر)، أو كدالة للزمن (مع درجة حرارة ثابتة و/أو فقدان كتلة ثابتة).[1] TGA يمكن أن توفر المعلومات عن الظواهر الفيزيائية، مثل التحولات المرحلة الثانية-النظام، بما في ذلك التبخير والتسامي والاستيعاب، الامتزاز والامتزاز. وبالمثل، يمكن أن توفر TGA المعلومات حول الظواهر الكيميائية، بما في ذلك تشيميسوربشنز، ديسولفيشن (لا سيما الجفاف)، التحلل، وردود فعل الغاز الصلبة (مثلاً أكسدة أو الحد).[1]TGA يستخدم عادة لتحديد الخصائص المحددة للمواد التي يحمل أما فقدان الكتلة أو الحصول على نتيجة للتحلل، والأكسدة، أو فقدان للتطاير (مثل الرطوبة). التطبيقات الشائعة للسلع العلاجية يتم توصيف (1) المواد من خلال تحليل أنماط مميزة من التحلل، (2) دراسات آليات تدهور وحركية رد فعل، (3) تحديد المحتوى العضوي في عينة، وعزم (4) غير العضوية (مثل الرماد) التي قد تكون مفيدة لمساندة الهياكل المادية وتوقع المحتوى في عينة، أو ببساطة تستخدم كتحليل كيميائي. أسلوب مفيدة بشكل خاص لدراسة المواد البوليمرية، بما في ذلك اللدائن الحرارية، thermosets، اللدائن، المركبة، وأفلام البلاستيك، والألياف، والطلاء والدهانات. سيجري تفصيل مناقشة الجهاز TGA، والأساليب، وتحليل التتبع أدناه. الثبات الحراري والأكسدة والاحتراق، هي كلها تفسيرات ممكنة لآثار TGA، ستناقش أيضا.محتويات الجهاز الآلي 1 أساليب 2 3 تحليل التتبع 4 العائد السيراميك 5 الاستقرار الحراري 6 عمليات الأكسدة احتراق 7 8 المراجعالجهاز الآليتحليل ثيرموجرافيميتريك (TGA) يعتمد على درجة عالية من الدقة في القياسات الثلاثة: كتلة التغيير ودرجة الحرارة والتغير في درجة الحرارة. ولذلك، المتطلبات الأساسية من دور فعال TGA توازن دقة مع عموم محملة العينة، وفرن لبرمجة. يمكن برمجتها الفرن أما لمعدل تسخين مستمر، أو لتدفئة الحصول على فقدان شامل مستمر مع مرور الوقت.على الرغم من أن معدل تسخين مستمر الأكثر شيوعاً، يمكن أن تضيء بمعدل فقدان كتلة ثابتة حركية رده فعل معينة. على سبيل المثال، تم العثور على معلمات الحركية من الكربنة البولي فينيل بوتيرال استخدام معدل فقدان كتلة ثابتة من 0.2 wt %/min.[2] بغض النظر عن برمجة الفرن، يتم وضع العينة في فرن صغير، مدفأة كهربائياً مزودة الحرارية رصد قياسات دقيقة لدرجة الحرارة بمقارنة إنتاجها الجهد مع أن الجدول الجهد مقابل درجة الحرارة المخزنة في ذاكرة الكمبيوتر. عينة مرجعية قد توضع على رصيد آخر في غرفة منفصلة. قد يتم إزالة الغلاف الجوي في قاعة عينة مع غاز خامل منع أكسدة أو ردود أفعال أخرى غير مرغوب فيها. وضعت عملية مختلفة باستخدام ميكروبالانسي كريستال الكوارتز لقياس عينات أصغر بناء على أمر ميكروغرام (مقابل مليغرام مع السلع العلاجية التقليدية).[3]أساليبصك TGA يزن باستمرار عينة كما أنه يتم تسخينه إلى درجات حرارة تصل إلى 2000 درجة مئوية لاقتران مع تحليل الغاز قياس الطيف الكتلي فتير والجماهيري. ومع ازدياد درجة الحرارة، هي متحللة المكونات المختلفة للعينة ويمكن قياس نسبة الوزن لكل التغيير الشامل الناجم عن ذلك. النتائج المرسومة مع درجة الحرارة على المحور السيني وفقدان في الكتلة على المحور الصادي. يمكن تعديل البيانات باستخدام منحنى متجانس وغالباً أيضا يتم رسم المشتقات الأولى لتحديد نقطة انعطاف لأكثر التفسيرات المتعمقة (انظر المناقشة في تحليل التتبع). يمكن أن تكون الصكوك TGA درجة الحرارة معايرة مع معايير نقطة انصهار أو نقطة كوري من المواد المغناطيسية مثل الحديد أو ني. يتم وضع مواد المغناطيسية في عموم العينة التي يتم وضعها في مجال مغناطيسي. يتم تسخين القياسية وعند نقطة كوري يصبح المادة باراماجنيتيك الذي يبطل تأثير تغيير الوزن الظاهر من المجال المغناطيسي.[12]تحليل التتبعإذا كان يمكن العثور على هوية المنتج بعد تدفئة المعروفة، ثم الغلة السيراميك من تحليل محتوى الرماد (انظر المناقشة الواردة أدناه). بأخذ وزن المنتج معروف وتقسيمه حسب الكتلة الأولية لانطلاق المواد، يمكن الاطلاع على النسبة المئوية الشامل لجميع المشمولات. معرفة كتلة المواد البداية والكتلة الإجمالية المشمولات، مثل يغاندس، وعيوب هيكلية، أو الجانب-منتجات من رد الفعل، الذي يتحرر عند التسخين، يمكن استخدام نسبة المقايسة لحساب نسبة كتلة المضمون في عينة. ويجوز عرض النتائج من تحليل ثيرموجرافيميتريك (1) كتلة مقابل منحنى درجة الحرارة (أو الوقت)، يشار إلى منحنى ثيرموجرافيميتريك، أو (2) معدل فقدان أسلحة مقابل منحنى درجة الحرارة، يشار إلى منحنى ثيرموجرافيميتريك التفاضلية. على الرغم من أن هذه ليست بأي حال قائمة حصرية، المنحنيات ثيرموجرافيميتريك بسيطة قد يحتوي على الميزات التالية: الجزء الأفقي، أو الهضبة التي تشير إلى وزن العينة ثابتة جزء منحنى؛ الانحدار المنحنى يشير إلى أن معدل فقدان الكتلة نبرة (في الذي frac{dw}{dt} هو الحد أدنى، ولكن ليس من الصفر)يمكن استشفاف بعض الميزات في منحنى TGA أن لا ينظر إلى سهولة أكثر وضوح في منحنى TGA المشتقة الأولى. على سبيل المثال، أي تغير في معدل فقدان الوزن يمكن فورا يكون اعتبار في منحنى TGA المشتقة الأولى حوض، أو الكتف أو الذيل إلى الذروة، مما يشير إلى اثنين من ردود فعل متتالية أو متداخلة. التفاضلية TGA المنحنيات كما يمكن إظهار التشابه الكبير للمنحنيات التحليل الحراري التفاضلي (DTA)، والتي يمكن أن تسمح بإجراء مقارنات سهلة.[1]إنتاج السيراميكيتم تعريف العائد السيراميك كالكتلة النسبة المئوية من ابتداء من المواد الموجودة في المنتج النهائي. من هذا، يمكن استخدام ستويتشيوميتري ثم لحساب نسبة كتلة المادة في العينة.الوميناتيس المعدنية (MAl2O4) هي نوع هام من السيراميك أكسيد مختلط الموجبة التي لديها العديد من التطبيقات.[4] ألومينات معدنية CaAl2O4 يستخدم في صناعة الأسمنت كمادة هيدروليكية.[4] السلائف هي CaAl2C18H37O9N3.[4] التشكيل CaAl2O4 يحدث أثناء تحليل ثيرموجرافيميتريك. هذا كيفية حساب العائد السيراميك النظري لهذا المثال:(1) حساب الوزن الجزيئي من CaAl2O4: 40.078 + (2 imes 26.982) + (4 imes 15.999) = 158.038~ ext{g/mol} (2) حساب الوزن الجزيئي من CaAl2C18H37O9N3: 40.078 +(2 imes 26.982) + (18 imes 12.011) + (37 imes 1.008) + (9 imes 15.999) + (3 imes 14.007) = 533.548~ ext{g/mol} (3) لحساب النسبة المئوية التي يتم CaAl2O4 من CaAl2C18H37O9N3: _2 ext frac{ ext{molecular الوزن من كال} _4 {س}} {_2 ext ext {الوزن الجزيئي من كال} {ج} _ {18} {37} ext {س} H_ _9 ext _3 {ن}} imes 100 = frac{158.038~ ext{g/mol}}{533.548~ ext{g/mol}} imes 100 = 29.6 %ولذلك، هو العائد السيراميك النظرية لتحليل ثيرموجرافيميتريك CaAl2C18H37O9N3 29.6 في المائة. وهذا يرتبط ارتباطاً جيدا مع الغلة السيراميك تصميماً تجريبيا من 28.9 في المائة.وكمثال آخر على حساب السيراميك النظرية العائد، تأخذ TGA مونوهيدرات أكسالات الكالسيوم. باستخدام نفس العملية المفصلة أعلاه، يمكن حساب العائد السيراميك النظري: وزن صيغة من مونوهيدرات أكسالات الكالسيوم 146 غ/مول. السيراميك المنتج النهائي هو تساو، وهو مع وزن صيغة من 56 غ/مول. ولذلك هو العائد السيراميك النظرية 38.4 في المائة. تم العثور على العائد الفعلي من TGA 39.75 في المائة. بعض أسباب التباين بين الغلات الفعلية والنظرية هي CO2 المحاصرين وتشكيل الكربيدات المعدنية.في تتبع TGA من مونوهيدرات أكسالات الكالسيوم، يتوافق مع فقدان الكتلة الأولى لفقدان الماء من الماء. فقدان الكتلة الثانية يناظر تحلل أكسالات الكالسيوم المجففة لكربونات الكالسيوم، وأول أكسيد الكربون وثاني أكسيد الكربون. فقدان الكتلة الأخير نتيجة لتحلل كربونات الكالسيوم إلى أكسيد الكالسيوم وثاني أكسيد الكربون.يمكن رؤية الاختلافات بين ثيرموجرامس في المثال أربعة مختلفة الكلورو-البوليمرات: البولي فينيل كلوريد (أ)، (ب) المكلورة البولي فينيل كلوريد، والمطاط (ج) المكلورة، وكلوريد الفينيليدن (د).[5] هناك مرحلتين من مراحل التدهور في هذه البوليمرات الأربعة. المرحلة الأولى هي فقدان كلوريد الهيدروجين، وهو إكمال حوالي 250 درجة مئوية. هذه الخطوة الأولى يحدث عند درجات حرارة منخفضة للبوليمرات التي تحتوي على أكثر من الكلور (كلوريد البولي فينيل الكلور ومطاط مكلور، وكلوريد الفينيليدن)، مما يعني أن هذه التجمعات كلوريد أقل استقرارا من أي وقت في البولي فينيل كلوريد.[5]المرحلة الثانية هي الكربنة البوليمر، وتجري بين 250 درجة مئوية و 500 درجة مئوية. وهذا يعتبر خسارة كبيرة للإعلام بين 250 درجة مئوية و 500 درجة مئوية. هي تطور القطران والغازات بسيطة، مثل الهيدروجين والميثان، ويفقد الكربون التي تظل كتلة ضئيلة جداً بين 500 درجة مئوية و 900 درجة مئوية. في هذا ثاني المرحلة، ارتفاع محتوى الكلور من البوليمر، انخفاض عائد القطران. هذا سبب الكلور قادرة على إزالة الهيدروجين، التي ستستخدم في المركبات التي تشكل القطران خلاف ذلك.[5]الثبات الحراريTGA يمكن استخدامها لتقييم الثبات الحراري للمواد. في نطاق درجة حرارة المطلوبة، إذا كان أنواع مستقرة حرارياً، سيكون هناك لا التغيير الشامل الملحوظ. فقدان كتلة ضئيلة يناظر منحدر قليلاً أو لا في تتبع TGA. كما يعطي TGA الاستخدام الأعلى درجة حرارة مادة. تتجاوز درجة الحرارة هذه سوف تبدأ المواد تتحلل.وقد TGA مجموعة متنوعة واسعة من التطبيقات، بما في ذلك تحليل للسيراميك والبوليمرات المستقرة حرارياً. سيراميك تذوب عادة قبل أنها تتحلل كما مستقرة حرارياً على نطاق كبير في درجة حرارة، وهكذا TGA وتستخدم أساسا التحقيق في الثبات الحراري للبوليمرات. تذوب معظم البوليمرات