آنالیز حرارتی (Thermal Analysis) یکی از ابزارهای کلیدی در علم مواد، شیمی، داروسازی و صنایع مختلف است که به بررسی تغییرات فیزیکی و شیمیایی مواد در اثر تغییر دما می‌پردازد و اطلاعات ارزشمندی درباره‌ی ساختار، پایداری و رفتار مواد ارائه می‌دهد. در این روش‌ها، یک ماده تحت یک برنامه حرارتی کنترل‌شده قرار می‌گیرد و پاسخ آن از نظر تغییرات جرمی، انتقال حرارت یا خواص مکانیکی ثبت می‌شود.
روشهای آنالیز حرارتی شامل تکنیک‌های مختلفی از جمله آنالیز وزنی حرارتی (TGA)، کالریمتری روبشی تفاضلی (DSC)، آنالیز حرارتی تفاضلی (DTA)، آنالیز مکانیکی حرارتی (TMA) و آنالیز مکانیکی دینامیکی (DMA) هستند که هرکدام به بررسی ویژگی‌های خاصی از ماده می‌پردازند. از طریق این روش‌ها می‌توان به برای بررسی انتقالات فازی، واکنش‌های گرماگیر و گرمازا، تغییرات وزنی، انبساط حرارتی و رفتار ویسکوالاستیک مواد پرداخت. از این رو تحلیل و تفسیر نتایج آنالیز حرارتی به منظور بررسی مواد و ترکیبات مختلف بسیار حائز اهمیت است.
خدمات تحلیل و تفسیر نتایج آنالیز حرارتی (…,TGA,DTA,DSC)
ما داده‌های آنالیزهای حرارتی شما را بررسی و تفسیر می کنیم.
آنالیز حرارتی چیست؟
شناخت دقیق رفتار مواد شرایط مختلف محیطی و حرارتی در پیشرفت علم و فناوری های نوین بسیار حائز اهمیت است. از موادی مانند فولاد و سرامیک گرفته تا داروها و مواد غذایی، همه تحت شرایط دمایی متفاوت، رفتارهایی منحصربفرد نشان می‌دهند که درک این رفتارها برای طراحی ترکیبات و محصولات کارآمد ضروری است. در این میان، آنالیز حرارتی به‌عنوان مجموعه‌ای از روشهای قدرتمند، امکان مطالعه‌ی سیستماتیک این رفتارها را فراهم می‌سازد.
دانشمندان در اوایل قرن بیستم نخستین تلاش‌ها را برای ثبت تغییرات مواد در اثر حرارت آغاز کردند و از آن زمان روشهای آنالیز حرارتی گسترش پیدا کردند و به تدریج روش‌هایی چون DTA (آنالیز حرارتی تفاضلی) و بعدتر DSC (کالریمتری روبشی تفاضلی) توسعه یافتند و جایگاه خود را در پژوهش‌های علمی تثبیت کردند. با پیشرفت فناوری ابزار دقیق، دستگاه‌های آنالیز حرارتی به تجهیزاتی فوق‌العاده حساس و دقیق مجهز شدند که می‌توانند حتی تغییرات بسیار کوچک در جرم، انرژی یا ابعاد نمونه را در دماهای مختلف ثبت کنند.
روشهای آنالیز حرارتی به منظور شناخت خواص بنیادی مواد مانند دمای ذوب، انتقال شیشه‌ای، میزان بلورینگی و پایداری حرارتی بسیار حائز اهمیت بوده و برای کنترل کیفیت مواد در صنایع مختلف و توسعه مواد نوین از جمله طراحی کامپوزیت‌ها، نانومواد و پلیمرهای پیشرفته با ویژگی‌های حرارتی خاص کاربرد داشته و به وفور به منظور تعیین شرایط نگهداری، پایداری و تغییرات فازی محصولات حساس دارویی و غذایی مورد استفاده قرار می‌گیرد. و در این راستا، اصول ترمودینامیک (مانند ظرفیت گرمایی، آنتالپی، آنتروپی) و سینتیک واکنش‌ها (مانند انرژی فعال‌سازی و مدل‌های واکنش) چارچوب نظری تفسیر نتایج را فراهم می‌سازند.
اصول تئوری آنالیز حرارتی
روشهای آنالیز حرارتی بر پایه‌ی مفاهیم ترمودینامیک، سینتیک شیمیایی و فیزیک حالت جامد شکل گرفته اند. برای درک درست نتایج حاصل از آنالیز حرارتی و تحلیل منحنی‌های به‌دست‌آمده، آشنایی با اصول بنیادی مرتبط با تغییرات حرارتی مواد ضروری است که در ادامه به طور اجمالی به آنها پرداخته می‌شود.
اصول ترمودینامیکی آنالیز حرارتی
ترمودینامیک علمی است که ارتباط بین انرژی، دما و تغییرات فازی یا شیمیایی را مورد بررسی قرار می‌دهد. در آنالیز حرارتی، تغییرات انرژی به‌صورت فرآیندهای گرماگیر یا گرمازا ظاهر می‌شوند. فرآیندهای گرماگیر (Endothermic) فرآیندهایی هستند که در آنها ماده برای تغییر حالت یا انجام واکنش، انرژی از محیط دریافت می‌کند مانند ذوب یخ، تبخیر مایعات یا تجزیه‌ی حرارتی ترکیبات. ولی در فرآیندهای گرمازا (Exothermic)، ماده در طی واکنش، انرژی آزاد می‌کند که از جمله آنها می‌توان به تبلور مواد یا سوختن یک پلیمر در حضور اکسیژن جزو واکنش‌های گرمازا اشاره کرد.
اصول سنتیکی آنالیز حرارتی
سینتیک حرارتی سرعت و مکانیزم این فرآیندها را توصیف می‌کن درحالیکه اصول ترمودینامیکی به بررسی امکان انجام واکنش یا تغییر فاز می‌پردازند. در آنالیزهای حرارتی، مطالعه سینتیک به ما کمک می‌کند تا زمان و سرعت وقوع واکنش‌ها را مورد بررسی قرار دهیم. با استفاده از داده‌های TGA یا DSC می‌توان انرژی فعال‌سازی یک واکنش یا فرآیند تجزیه ای را محاسبه کرد.
تغییرات فازی (Phase Transitions) در آنالیز حرارتی
مواد در اثر تغییر دما، از یک حالت فیزیکی به حالت دیگر تغییر می‌کنند و در واقع تغییر فاز می‌دهند. این تغییرات فازی در منحنی‌های حاصل از آنالیز حرارتی کاملاً قابل مشاهده هستند که از جمله آنها می‌توان به فرآیند ذوب (Melting)، تبلور (Crystallization)، انتقال شیشه‌ای (Glass Transition, Tg) و … اشاره کرد.
عوامل مؤثر در نتایج آنالیز حرارتی
چند پارامتر کلیدی در نتایج حاصل از آزمایش‌هات آنالیز حرارتی نقش دارند:
سرعت حرارت‌دهی
حرارت دهی با سرعت پایین، امکان دسترسی به داده‌های دقیق‌تر و تفکیک‌پذیری بهتر قله‌ها در آنالیز حرارتی را فراهم می‌کند.
اتمسفر آزمایش:
در آنالیزهای حرارتی معمولا گازهای نیتروژن یا آرگون برای جلوگیری از اکسیداسیون استفاده می‌شوند و برای مطالعه فرآیندهای اکسیداسیون نیز از جو هوا یا اکسیژن استفاده می‌گردد.
جرم و اندازه نمونه
مقدار نمونه در آنالیزهای حرارتی حائز اهمیت است. در صورت استفاده از مقدار زیاد نمونه ممکن است انتقال حرارتی کامل صورت نگیرد و در استفاده از مقادیر کم ممکن است دقت کافی در ثبت تغییرات وجود نداشته باشد.
خواص فیزیکی ماده
خواص فیزیکی نمونه از جمله رسانایی حرارتی، تخلخل و رطوبت در نتایج حاصل از آنالیز حرارتی تاثیرگذار هستند.
تکنیک‌های کلیدی در آنالیز حرارتی
همانطوری که گفته شد، آنالیز حرارتی یکی از ابزارهای مهم و پرکاربرد در مطالعه خواص فیزیکی و شیمیایی مواد است که تغییرات وابسته به دما را مورد بررسی قرار می‌دهد.با پیشرفتهایی انجام گرفته در صنایع دارویی، پلیمری، غذایی، کامپوزیتی و نانو، نیاز به درک دقیق رفتار حرارتی آنها بسیار ضروری است و تکنیک‌های مختلف آنالیز حرارتی از جمله آنالیز وزنی حرارتی (TGA)، گرماسنجی روبشی تفاضلی (DSC)، تحلیل حرارتی تفاضلی (DTA) و تحلیل مکانیکی دینامیک (DMA) برای این منظور توسعه یافته‌‌اند و در پژوهش های مختلف مورد استفاده قرار میگیرند.در ادامه این روشهای حرارتی مورد بررسی قرار میگیرند.
آنالیز وزنی حرارتی (Thermogravimetric Analysis (TGA))
آنالیز وزنی حرارتی یا TGA روشی است که تغییرات جرم یک نمونه را در اثر افزایش یا کاهش دما و یا در طول زمان اندازه‌گیری می‌کند.
در این روش، نمونه تحت یک برنامه‌ی حرارتی کنترل‌شده قرار می‌گیرد و هرگونه تغییر وزن (به‌دلیل تبخیر، تجزیه، اکسیداسیون یا احیا) توسط یک میکروبالانس فوق‌العاده حساس ثبت می‌شود.
اصول دستگاهی آنالیز TGA
نمونه در یک بوته سرامیکی یا پلاتینیوم داخل کوره قرار می‌گیرد و وزن آن توسط یک ترازو یا میکروبالانس بسیار حساس (در حد نانوگرم) در حین تغییر دما اندازه‌گیری می‌شود. هرگونه تبخیر، تجزیه یا واکنش اکسیداسیون باعث تغییر وزن شده و این تغییرات ثبت می‌شوند.
اجزای دستگاه آنالیز TGA
- کوره الکتریکی:
کوره الکتریکی دستگاه TGA قابلیت رسیدن به دماهای بالا (معمولاً ۱۰۰۰–۱۲۰۰ °C) را داراست و دقت در کنترل سرعت حرارت دهی آن معمولاً بین ۱ تا ۲۰ °C/min است.
- میکروبالانس (ترازو بسیار دقیق):
میکروبالانس ترازوی بسیار دقیقی است که حساسیت آن در حد نانوگرم (ng) است و قابلیت ثبت تغییرات لحظه‌ای وزن نمونه را دارد.
- ظرف نمونه (Crucible):
ظرف نمونه معمولاً از پلاتین، آلومینا یا سرامیک ساخته می‌شود و بایستی مقاوم در برابر دما و واکنش‌های شیمیایی باشد.
- سیستم کنترل گاز:
سیستم کنترل گاز جهت کنترل جو آزمایش (نیتروژن، آرگون، اکسیژن یا هوا) مورد استفاده قرار می‌گیرد و تغییر در جو آزمایش ممکن است منجر به نتایج متفاوتی گردد.
سیستم ثبت داده و نرم‌افزار:
سیستم ثبت داده و نرم‌افزار جهت ترسیم منحنی تغییر وزن (وزن بر حسب دما/زمان) و محاسبه‌ی مشتق تغییر وزن (DTG) برای تشخیص مراحل مختلف تجزیه کاربرد دارد.
تفاوت نمودار TGA و DTG
منحنی TGAنشان‌دهنده تغییر وزن نمونه بر حسب دما یا زمان است ولی منحنی DTG (Derivative Thermogravimetry) سرعت تغییر وزن را نشان می‌دهد و به شکل قله‌های متمایز ظاهر می‌شود.
کاربردهای TGA
آنالیز حرارتی TGA در زمینه‌های مختلف صنعتی و پژوهشی کاربرد دارد که از جمله آنها می‌توان به موارد زیر اشاره کرد:
پلیمرها: بررسی پایداری حرارتی و تعیین درصد پرکننده‌ها، مواد افزودنی و رطوبت.
فلزات و آلیاژها: بررسی اکسیداسیون و احیای حرارتی.
سرامیک‌ها: تعیین مقدار مواد فرار و دمای پخت.
داروسازی: مشخص کردن رطوبت باقیمانده در داروها و بررسی تجزیه حرارتی ترکیبات فعال.
محیط زیست: آنالیز خاکستر، سوخت‌ها و مواد آلی موجود در ضایعات
مزایا و محدودیت‌های آنالیز TGA
آنالیز حرارتی TGA، حساسیت بالا در اندازه‌گیری جرم داشته و امکان بررسی چندین فرآیند حرارتی متوالی را فراهم می‌سازد و قابلیت ترکیب با تکنیک‌های تحلیلی دیگر (مانند TG-MS یا TG-FTIR) را دارد. از محدودیت‌های آن می‌توان گفت که فقط تغییرات جرم را نشان می‌دهد و نوع واکنش را مشخص نمی‌کند و نیازمند تفسیر همراه با تکنیک‌های مکمل مانند DSC یا FTIR است و همچنین حساس به شرایط آزمایش (مانند اتمسفر، جرم نمونه، سرعت حرارت‌دهی) است.
کالریمتری روبشی تفاضلی (Differential Scanning Calorimetry (DSC))
آنالیز کالریمتری روبشی تفاضلی (DSC) تغییرات انرژی گرمایی را هنگام حرارت دهی مواد ثبت می‌کند. این روش برای تشخیص فرآیندهای گرماگیر یا گرماده کارآمد بوده و برای تعیین دمای ذوب (Tm)، دمای انتقال شیشه‌ای (Tg) و تبلور (Tc)، بررسی سازگاری مواد در مخلوط‌ها و کامپوزیت‌ها، محاسبه گرمای واکنش، پایداری حرارتی و درصد تبلور مورد استفاده قرار می‌گیرد.
اصول دستگاهی آنالیز DSC
در آنالیز حرارتی DSC، تفاوت شار حرارتی بین نمونه و یک مرجع خنثی (مانند آلومینا) اندازه‌گیری می‌شود. هر فرآیند گرماگیر (مانند ذوب، تبخیر) یا گرمازا (مانند تبلور) به صورت یک قله روی منحنی DSC ثبت می‌شود.
انواع دستگاه آنالیز DSC
دستگاه آنالیز DSC شامل دو نوع است:
- DSC توان (Power-Compensated DSC):
دستگاه DSC توان دو کوره جداگانه دارد (یکی برای نمونه و دیگری برای مرجع) و سیستم طوری کنترل می‌شود که هر دو در یک دما بمانند و اختلاف توان الکتریکی مصرفی بین آنها شاخص فرآیند حرارتی درنظر گرفته می‌شود.
- DSC شار حرارتی (Heat-Flux DSC):
در دستگاه DSC شار حرارتی، نمونه و مرجع روی یک صفحه رسانا قرار دارند و اختلاف دما بین آنها به صورت شار حرارتی ثبت می‌شود. این نوع دستگاه DSC به دلیل سادگی و کم هزینه بودن رایج تر است.
کاربردها
آنالیز DSC در زمینه‌های مختلفی کاربرد دارد که از جمله آنها می‌توان به موارد زیر اشاره کرد:
- پلیمرها: تعیین Tg، Tm و درصد بلورینگی.
- داروسازی: بررسی پایداری و حالت کریستالی داروها.
- مواد غذایی: بررسی چربی‌ها ، قندها و …
- فلزات و آلیاژها: مطالعات مربوط به تغییرات فازی
اجزای دستگاه آنالیز DSC
- کوره دقیق: با قابلیت کنترل سرعت حرارت دهی
- محفظه نمونه و مرجع: معمولاً از آلومینا یا آلومینیوم ساخته می‌شوند.
- سنسورهای حرارتی (ترموکوپل): برای ثبت اختلاف دما یا توان حرارتی.
- سیستم پردازش داده: برای رسم نمودار شار حرارتی در برابر دما.
مزایا و محدودیت‌ها
آنالیز DSC دسترسی به اطلاعات کمی از جمله آنتالپی را فراهم می‌کند و حساسیت بالایی نسبت به تغییرات انرژی دارد. همچنین برای طیف وسیعی از مواد قابل استفاده است ولی نیاز به نمونه برداری دقیق داشته و گاهی تداخل قله‌ها باعث دشواری در تفسیر DSC می‌شود. همچنین نسبت به TGA به سرعت حرارت دهی حساس تر است.
آنالیز حرارتی تفاضلی (DTA)
آنالیز حرارتی تفاضلی (DTA) مشابه آنالیز DSC است ولی در آن به جای انرژی، اختلاف دمای بین نمونه و مرجع را اندازه‌گیری می‌شود. این روش در بررسی واکنش‌های حرارتی استفاده می‌شود و به طور گسترده در زمینه بررس سرامیک‌ها، فلزات و ترکیبات معدنی کاربرد دارد. در آنالیز حرارتی DTA، نمونه و یک ماده مرجع (معمولاً Al₂O₃) به‌طور هم‌زمان تحت یک برنامه حرارتی یکسان قرار میگیرند و اختلاف دمای میان آنها (ΔT) در طول فرآیند ثبت می‌شود. این اختلاف دما می‌تواند نشان‌دهنده‌ی وقوع واکنش‌های گرماگیر (Endothermic) مانند ذوب یا تجزیه، یا گرمازا (Exothermic) مانند تبلور یا احتراق باشد.
نمودارهای DTA معمولاً دما را در محور افقی و ΔT را در محور عمودی نمایش می‌دهند که به کمک آنها می‌توان شناسایی کیفی و در مواردی تحلیل کمی انجام داد. DTA همچنین برای بررسی مخلوط‌های دوتایی یا چندتایی بسیار سودمند است و امکان تحلیل ترتیب واکنش‌ها در طول گرمایش را فراهم می‌سازد.
اصول دستگاهی آنالیز DTA
در آنالیز DTA، دمای یک نمونه و یک مرجع خنثی (معمولاً موادی مثل آلومینا که واکنش حرارتی خاصی ندارند) هم‌زمان اندازه‌گیری می‌شود. اگر نمونه واکنشی گرماگیر (endothermic) یا گرمازا (exothermic) داشته باشد، اختلاف دمایی بین نمونه و مرجع ایجاد می‌شود. این اختلاف دما به صورت یک قله در نمودار DTA ثبت می‌گردد.
اجزای دستگاه DTA
- کوره الکتریکی: برای گرم‌کردن نمونه و مرجع با برنامه حرارتی مشخص (مثلاً ۱۰ °C/min).
- ظروف نمونه و مرجع: معمولاً از آلومینا یا پلاتینیوم ساخته می‌شوند.
- سنسورهای حرارتی: ترموکوپل‌هایی که به طور مستقیم دمای نمونه و مرجع را ثبت کرده و اختلاف آنها را محاسبه می‌کنند.
- واحد ثبت داده: نمودار DTA را رسم می‌کند (ΔT بر حسب T یا زمان).
- سیستم کنترل گاز: جو آنالیز (نیتروژن، اکسیژن یا خلا) بسته به نوع مطالعه انتخاب می‌شود.
کاربردهای DTA
از جمله کاربردهای آنالیز DTA می‌توان به موارد زیر اشاره کرد:
- شناسایی فازها: هر فاز گذار (ذوب، تبلور، انتقال شیشه‌ای) یک قله‌ی مشخص دارد.
- بررسی خلوص مواد: ناخالصی‌ها باعث تغییر مکان قله‌ها یا پهن شدن آنها می‌شوند.
- مطالعه واکنش‌های شیمیایی: مانند اکسیداسیون، احیا یا تجزیه حرارتی.
- مواد معدنی و سرامیکی: تعیین دمای سینترینگ و واکنش‌های فازی.
- داروسازی: بررسی پایداری داروها و تغییرات کریستالی.
تفاوت آنالیزهای حرارتی DTA و DSC
آنالیز حرارتی DTA، اختلاف دمای نمونه و مرجع را ثبت می‌کند ولی آنالیز حرارتی DSC، اختلاف شار حرارتی بین نمونه و مرجع را اندازه‌گیری می‌کند و داده‌های کمی‌تری ارائه می‌دهد. در واقع می‌توان گفت که DSC جایگزین دقیق‌تر DTA محسوب می‌شود (کمی و با دقت بالاتر) ولی آنالیز DTA یکی از قدیمی ترین روشهای آنالیز حرارتی است و به دلیل سادگی و کاربری گسترده، هنوز در بسیاری از آزمایشگاه‌ها به‌ویژه برای شناسایی کیفی تغییرات فازی و واکنش‌های گرماگیر/گرمازا DTA در حوزه‌هایی مثل معدنی، سرامیک و زمین‌شناسیمورد استفاده قرار می گیرد (کیفی).
آنالیز مکانیکی حرارتی (Thermomechanical Analysis (TMA))
آنالیز TMA (Thermomechanical Analysis) به منظور اندازه‌گیری تغییرات ابعادی (طول یا حجم) نمونه در اثر تغییر دما مورد استفاده قرار می‌گیرد و در زمینه بررسی ضریب انبساط حرارتی، نرم شدن پلیمرها و انتقال شیشه‌ای کاربرد دارد.
اصول کار دستگاهی TMA
در آنالیز TMA به منظور اندازه‌گیری تغییرات طولی، حجمی یا انبساطی نمونه در اثر تغییر دما. یک پروب مکانیکی با بار مشخص روی نمونه قرار می‌گیرد و تغییرات جابجایی در برابر دما ثبت می‌شود.
اجزای دستگاه TMA
- کوره حرارتی: با قابلیت تغییر دما در محدوده –۱۵۰ تا ۱۵۰۰ °C.
- پروب مکانیکی: دارای نوک سوزنی، کروی یا صفحه‌ای است.
- سیستم اندازه‌گیری جابجایی: اغلب از LVDT (Linear Variable Differential Transformer) استفاده می‌شود.
- سیستم ثبت داده: جهت رسم تغییرات طول/حجم در برابر دما.
کاربردهای آنالیز TMA
- پلیمرها: تعیین Tg و دمای نرم شدن.
- شیشه‌ها و سرامیک‌ها: محاسبه ضریب انبساط حرارتی (CTE).
- فلزات: بررسی رفتار ابعادی در دماهای بالا.
- رزین‌ها: مطالعه فرآیند پخت و یا تغییر شکل مواد تحت فشار.
مزایا و محدودیت‌های آنالیز TMA
آنالیز TMA قابلیت بررسی خواص ابعادی و مکانیکی دارا بوده و دقت بالایی در اندازه‌گیری تغییرات طولی (تا نانومتر) دارد ولی به شرایط اعمال نیرو بسیار وابسته بوده و تفسیر آن در مواد چندفازی پیچیده است.
آنالیز مکانیکی دینامیکی (Dynamic Mechanical Analysis – DMA)
آنالیز حرارتی DMA پاسخ مکانیکی مواد (مدول الاستیک، اتلاف انرژی و …) را در برابر تغییرات دما یا فرکانس بررسی می‌کند و در زمینه تعیین Tg با حساسیت بالا، بررسی رفتار ویسکوالاستیک پلیمرها و تحلیل پایداری مکانیکی در برابر حرارت کاربرد دارد.
اصول کار دستگاهی DMA
در آنالیز حرارتی DMA نمونه تحت یک نیروی نوسانی (ارتعاشی) قرار می‌گیرد و پاسخ آن (جابجایی یا کرنش) در برابر دما یا فرکانس اندازه‌گیری می‌شود. این داده‌ها شامل مدول ذخیره (E’)، مدول اتلاف (E’’) و tan δ (نسبت اتلاف به ذخیره) هستند.
اجزای دستگاهی DMA
- کوره حرارتی: کنترل دقیق دما (از دماهای زیر صفر تا ۶۰۰–۸۰۰ °C).
- سیستم محرک مکانیکی: اعمال بار نوسانی (الکترومغناطیسی یا پیزوالکتریک).
- فیکسچرها: انواع نیرو کششی، خمشی، برشی یا فشاری بسته به نوع ماده.
- سنسورهای نیرو و جابجایی: ثبت پاسخ نمونه به نیرو.
- سیستم پردازش داده: محاسبه مدول‌ها و ترسیم نمودارها
کاربردهای آنالیز DMA
- تعیین دقیق Tg و رفتار ویسکوالاستیک.
- بررسی رفتار دمایی کامپوزیت‌ها و الاستومرها.
- طراحی مواد با خواص مکانیکی خاص (مثلاً لاستیک تایر)
مزایا و محدودیت‌های آنالیز DMA
آنالیز DMA اطلاعات کمی درباره خواص دینامیکی را فراهم می‌کند و توانایی مطالعه مواد نرم و الاستومری را داراست ولی این آنالیز نیاز به نمونه‌گیری دقیق و فیکسچر مناسب داشته و تفسیر آن برای مواد چندفازی پیچیده است.
آنالیز حرارتی-اپتیکی (Thermoptical Analysis (TOA))
آنالیز حرارتی-اپتیکی (TOA) تغییرات نوری ماده (مانند عبور یا بازتاب نور) در اثر دما را مورد بررسی قرار می‌دهد و در زمینه بررسی تغییرات فاز در مواد نیمه‌هادی و شیشه‌ای کاربرد دارد.
اصول کار دستگاهی TOA
در آنالیز TOA، تغییرات خواص نوری (جذب، بازتاب، عبور نور یا ضریب شکست) ماده در اثر تغییر دما بررسی می‌شود. معمولاً با استفاده از لیزر یا طیف‌سنج انجام می‌شود.
اجزای دستگاهی TOA
- منبع نوری (لیزر یا لامپ طیف‌سنجی).
- سیستم اپتیکی برای هدایت نور از نمونه.
- دتکتور نوری (فتودیود، CCD).
- کوره کوچک برای گرم‌کردن نمونه.
کاربردهای آنالیز TOA
- بررسی تغییرات فاز در شیشه‌ها و نیمه‌هادی‌ها.
- مطالعه انتقال‌های نوری وابسته به دما.
- تعیین دمای گذار نوری (Optical Transition Temperature)
تفسیر نتایج آنالیزهای حرارتی
داده‌های به‌دست‌آمده از آنالیز حرارتی معمولاً به صورت منحنی‌ها و نمودارها نمایش داده می‌شوند. این نمودارها تنها زمانی ارزشمند خواهند بود که به‌درستی تفسیر شوند. تفسیر نتایج حاصل از هرکدام از آنالیزهای حرارتی منجر به حصول برخی از اطلاعات کمی و کیفی در مورد مواد و ترکیبات تحت آنالیز می‌گردد که در ادامه به برخی از مهم‌ترین این موارد اشاره شده است.
تفسیر نتایج TGA و DTG
- تغییرات جرم نمونه در اثر حرارت‌دهی
- دمای شروع تخریب حرارتی
- دمای ماکزیمم سرعت تخریب
- میزان رطوبت، مواد فرار و جذب‌شده
- درصد خاکستر یا مواد غیرآلی باقیمانده
- بررسی تعداد مراحل تجزیه و مکانیزم تخریب
تفسیر نتایج DSC
- تغییرات انرژی (آنتالپی) ماده در برابر دما.
- دمای انتقال شیشه‌ای (Tg)
- نقطه ذوب (Tm) و تبلور مجدد (Tc)
- درصد بلورینگی پلیمرها
- واکنش‌های گرمازا یا گرماگیر (پخت رزین‌ها، واکنش‌های شیمیایی)
- پایداری نسبی فازها و مقایسه‌ی انرژی آنها
تفسیر نتایج DTA
- دماهای انتقال فاز (شیشه‌ای، ذوب، تبلور)
- واکنش‌های گرمازا و گرماگیر
تفسیر نتایج TMA
- تغییر طول یا حجم نمونه در اثر تغییر دما و بار مکانیکی.
- ضریب انبساط حرارتی خطی (CTE)
- دمای نرم شدن (Softening point)
- تغییرات بعدی در فرآیند ذوب یا تبلور
- رفتار انقباض/انبساط حرارتی در سرامیک‌ها، فلزات و پلیمرها
تفسیر نتایج DMA
- بررسی پاسخ مکانیکی ماده به تنش دینامیکی در برابر دما
- مدول ذخیره (E′) و مدول اتلاف (E″)
- دمای انتقال شیشه‌ای (Tg) با دقت بالا
- رفتار ویسکوالاستیک مواد
- بررسی پایداری مکانیکی و سازگاری در آلیاژهای پلیمری
روشهای ترکیبی آنالیز حرارتی
با رشد فناوری‌های نوین، آنالیز حرارتی نیز از شکل سنتی خود فراتر رفته و وارد حوزههای جدید فناوری شده است. این پیشرفت‌ها شامل روشهای ترکیبی، آنالیز در مقیاس نانو، کاربرد در انرژی‌های نو، و ادغام با هوش مصنوعی و مدل‌سازی داده‌ها هستند.
یکی از مهم‌ترین پیشرفت‌ها، ترکیب آنالیز حرارتی با روشهای دیگر است که امکان شناسایی دقیق‌تر فرآیندها را فراهم می‌کند که از جمله آنها می‌توان به موارد زیر اشاره کرد:
- ترکیب آنالیز TGA با طیف سنجی مادون قرمز TGA-FTIR (Thermogravimetry–Fourier Transform Infrared) که معمولا برای شناسایی گازهای متصاعدشده در حین تجزیه مورد استفاده قرار می‌گیرد. به عنوان مثال در مطالعه‌ی پلیمرهای زیست‌تخریب‌پذیر، این روش برای شناسایی محصولات جانبی فرایند تجزیه استفاده می‌شود.
- ترکیب آنالیز TGA با طیف‌سنج جرمی TGA-MS (Thermogravimetry–Mass Spectrometry) که برای شناسایی دقیق‌تر ترکیبات گازی کاربرد دارد. به عنوان مثال در آنالیز زغال‌سنگ، این روش امکان بررسی انتشار SO₂ و CO₂ را فراهم می‌کند.
- ترکیب (DSC-TGA) در یک دستگاه که هم‌زمان تغییرات جرم و تغییرات انرژی را ثبت می‌کند. در پژوهش روی مواد دارویی، این روش به‌طور هم‌زمان رطوبت و فرآیند ذوب یا تجزیه را آشکار می‌سازد.
- ترکیب آنالیز DSC با آنالیز پراش اشعه ایکس (XRD-DSC) که به منظور بررسی تغییرات فازی هنگام انتقال حرارتی مورد استفاده قرار می‌گیرد.
- ترکیب آنالیز TGA با آنالیز رامان (Raman-TGA) به منظور بررسی تغییرات ساختاری نانومواد هنگام تجزیه کاربرد دارد.
چرا ما را انتخاب کنید؟
پشتیبانی 24 ساعته در 7 روز هفته
تجزیه و تحلیل دقیق توسط متخصصین
تضمین کیفیت و رضایت
بازبینی رایگان پس از تکمیل سفارشات
قیمت مناسب
کاربردهای آنالیز حرارتی
آنالیز حرارتی تنها یک روش آزمایشگاهی نیست؛ بلکه ابزاری استراتژیک برای توسعه، کنترل کیفیت و تحقیق در صنایع گوناگون به شمار می‌رود. در ادامه، مهم‌ترین حوزههای کاربردی تکنیک‌های مختلف آنالیز حرارتی را بررسی می‌کنیم.
پلیمرها و کامپوزیت‌ها
پلیمرها به‌دلیل ساختار زنجیره‌ای و حساسیت به دما، بیشترین استفاده را از آنالیز حرارتی دارند.
- TGA: تعیین درصد پرکننده‌ها، پایدارکننده‌ها و بررسی مقاومت در برابر حرارت.
- DSC: اندازه‌گیری دمای انتقال شیشه‌ای (Tg)، دمای ذوب (Tm) و میزان بلورینگی.
- DMA: تحلیل رفتار ویسکوالاستیک، بررسی خواص دینامیکی لاستیک‌ها و الاستومرها.
- TMA: محاسبه ضریب انبساط حرارتی (CTE) برای طراحی کامپوزیت‌های پایدار.
🔹 مثال: در صنعت خودروسازی، خواص حرارتی پلی‌پروپیلن پرشده با الیاف شیشه بررسی می‌شود تا مقاومت حرارتی داشبورد یا سپر تضمین گردد.
فلزات و متالورژی
خواص حرارتی فلزات و آلیاژها تعیین‌کننده‌ی کاربرد صنعتی آن‌هاست و از این رو تکنیک‌های مختلف آنالیزهای حرارتی کاربرد فراوانی در این زمینه دارند که در ادامه به برخی از آنها پرداخته می‌شود.
- DTA و DSC: شناسایی تغییرات فازی (مانند دمای یوتکتیک در آلیاژها).
- TGA: بررسی فرآیندهای اکسیداسیون یا احیاء فلزات.
- TMA: مطالعه تغییر شکل فلزات در دمای بالا.
🔹 مثال: در آلیاژ آلومینیوم-سیلیسیم، نقطه ذوب یوتکتیک توسط DSC تعیین می‌شود تا شرایط ریخته‌گری بهینه گردد.
سرامیک‌ها و شیشه‌ها
مواد سرامیکی و شیشه‌ای به دلیل کاربرد در دماهای بالا، نیازمند بررسی دقیق رفتار حرارتی از طریق تکنیک‌های آنالیز حرارتی هستند.
- TMA: اندازه‌گیری انبساط حرارتی برای طراحی مواد نسوز.
- DTA و DSC: تعیین دمای تبلور و سینترینگ.
- TGA: بررسی پایداری مواد اولیه و میزان ناخالصی.
🔹 مثال: در صنعت ساخت کاشی و چینی، دمای بهینه‌ی سینترینگ توسط DTA مشخص می‌شود.
داروسازی
پایداری حرارتی ترکیبات دارویی و تغییر فاز آنها اهمیت حیاتی دارد و تکنیک‌های آنالیز حرارتی در این زمینه بسیار کاربردی هستند.
- DSC: بررسی کریستالیزاسیون و تعیین حالت آمورف یا کریستالی دارو.
- TGA: تعیین رطوبت باقیمانده یا حلال‌های محبوس در فرمولاسیون.
- DMA: مطالعه خواص مکانیکی پلیمرهای دارورسانی.
مثال: در فرمولاسیون آسپرین، DSC برای تشخیص تفاوت میان فرم کریستالی و آمورف به‌کار می‌رود که بر انحلال‌پذیری و اثربخشی دارو تأثیر می‌گذارد.
صنایع غذایی
مواد غذایی ترکیبات پیچیده‌ای از قندها، چربی‌ها و پروتئین‌ها هستند و رفتار حرارتی آنها بر ماندگاری و کیفیت تأثیر دارد.
- DSC: تعیین دمای ذوب چربی‌ها و بررسی تبلور قندها.
- TGA: بررسی میزان رطوبت یا ترکیب خاکستر.
- DMA: مطالعه خواص مکانیکی ژل‌ها و خمیرها در دماهای مختلف.
🔹 مثال: در تولید شکلات، DSC برای تعیین پروفایل ذوب کره‌کاکائو استفاده می‌شود تا محصول نهایی بافت مطلوب داشته باشد.
محیط زیست و انرژی
در زمینه محیط زیست، آنالیز حرارتی ابزار مهمی برای شناسایی و کنترل آلودگی‌هاست.
- TGA: بررسی ترکیب مواد زائد جامد (رطوبت، مواد آلی، خاکستر).
- DSC و DTA: تحلیل سوخت‌ها و بیومس‌ها برای ارزیابی انرژی قابل بازیافت.
- TGA-FTIR یا TGA-MS: شناسایی گازهای منتشرشده در فرآیند سوختن.
🔹 مثال: در بررسی زغال‌سنگ و بیومس، TGA برای تعیین درصد مواد فرّار و پایداری حرارتی استفاده می‌شود.
کاربردهای نوین و پیشرفته
نانومواد: بررسی پایداری حرارتی نانوذرات و نانولوله‌ها.
- صنایع هوافضا: تحلیل خواص کامپوزیت‌های پیشرفته در دماهای بسیار بالا.
- باتری‌ها و ابرخازن‌ها: بررسی واکنش‌های حرارتی الکترولیت‌ها و مواد الکترودی.
- مقیاس نانو (Nano-Scale Thermal Analysis): آنالیزهای Nano-DSC و Nano-TGA برای بررسی مقدار بسیار کمی از ماده (در حد نانوگرم) استفاده می‌شوند و به منظور تحلیل رفتار حرارتی نانولوله‌های کربنی، گرافن و نانوذرات فلزی مورد استفاده قرار میگیرند و در زمینه بررسی انتقال حرارت در ساختارهای دوبعدی (۲D materials) مانند MoS₂ کاربرد دارند.
- انرژی‌های نو و ذخیره‌سازی انرژی از جمله باتری‌های لیتیومی و پیل‌های سوختی و مواد ذخیره کننده حرارت. به عنوان مثال، با استفاده از DSC، واکنش‌های گرمازای ناخواسته در الکترولیت‌ها و کاتدها بررسی می‌شوند تا ایمنی باتری‌ها تامین شود.
نتیجه‌گیری
آنالیز حرارتی یکی از آنالیزهای مهم و کاربردی در زمینه شناسایی مواد شیمیایی در علم مواد و شیمی به شمار می‌رود. این مجموعه تکنیک‌ها به ما امکان می‌دهد تا رفتار مواد در برابر دما را با دقت بررسی کنیم و درک کنیم که یک ماده چه واکنش‌هایی در برابر شرایط دمایی مختلف نشان خواهد داد. هر کدام از تکنیک‌های آنالیز حرارتی اطلاعات منحصربفردی را ارائه می‌دهند ولی می‌توان این تکنیک‌ها را به صورت مکمل استفاده کرده و اطلاعات بیشتری را استخراج نمود.
منابع (References)
- Brown, M. E., & Gallagher, P. K. (2010). Handbook of Thermal Analysis and Calorimetry. Elsevier.
- Höhne, G. W. H., Hemminger, W. F., & Flammersheim, H. J. (2003). Differential Scanning Calorimetry: An Introduction for Practitioners. Springer.
- Kemp, R. B. (2007). Handbook of Thermal Analysis and Calorimetry: Applications to Polymers and Plastics. Elsevier.
- Rouquerol, J., Rouquerol, F., & Sing, K. (1999). Thermal Analysis: Principles and Applications. John Wiley & Sons.
- Vyazovkin, S. (2015). Isoconversional Kinetics of Thermally Stimulated Processes. Springer.
- Wunderlich, B. (2005). Thermal Analysis of Polymeric Materials. Springer.
- Wendlandt, W. W. (1986). Thermal Analysis. Wiley-Interscience.
- Hemminger, W., & Cammenga, H. K. (2012). Methods in Thermal Analysis. Springer.
- Reading, M., & Hourston, D. J. (2006). Modulated Temperature Differential Scanning Calorimetry. Springer.
- ASTM E1131-20. (2020). Standard Test Method for Compositional Analysis by Thermogravimetry. ASTM International.
- ASTM E1269-11. (2018). Standard Test Method for Determining Specific Heat Capacity by DSC. ASTM International.
- Vyazovkin, S., Burnham, A. K., Criado, J. M., Pérez-Maqueda, L. A., Popescu, C., & Sbirrazzuoli, N. (2011). ICTAC Kinetics Committee recommendations for performing kinetic computations on thermal analysis data. Thermochimica Acta, 520(1–2), 1–19.
- Hatakeyama, T., & Quinn, F. X. (1999). Thermal Analysis: Fundamentals and Applications to Polymer Science. Wiley.
- Höhne, G. W. H. (2011). Thermal Analysis: Basics, Applications, and Theory. Springer.
- Chen, D., & Yang, H. (2012). Recent advances in thermal analysis of biomass. Bioresource Technology, 117, 157–166.
ما داده های خام به دست آمده از آنالیزهای زیر را بررسی و تفسیر می‌کنیم:
طیف‌سنجی مادون قرمز تبدیل فوریه (FT-IR)
آنالیز عنصری (…,ICP, CHN, XRF, EDAX)
مغناطیس سنج نمونه ارتعاشی (VSM)
میکروسکوپ الکترونی روبشی (SEM)
میکروسکوپ الکترونی عبوری (TEM)
برای تفسیر نتایج آنالیز حرارتی (…,TGA,DTA,DSC) نیاز به کمک دارید؟
برای ثبت سفارش و یا دریافت مشاوره رایگان
09398565101 (تماس در ساعات اداری، تلگرام یا واتساپ)
