El análisis termogravimétrico o análisis termogravimétrico ( TGA ) es un método de análisis térmico en el que la masa de una muestra se mide a lo largo del tiempo a medida que cambia la temperatura . Esta medición proporciona información sobre fenómenos físicos, como transiciones de fase , absorción , adsorción y desorción ; así como fenómenos químicos que incluyen quimisorciones , descomposición térmica y reacciones sólido-gas (p. ej., oxidación o reducción ). [1]
El análisis termogravimétrico (TGA) se realiza en un instrumento denominado analizador termogravimétrico. Un analizador termogravimétrico mide continuamente la masa mientras la temperatura de una muestra cambia con el tiempo. La masa, la temperatura y el tiempo se consideran medidas básicas en el análisis termogravimétrico, aunque se pueden derivar muchas medidas adicionales a partir de estas tres medidas básicas.
Un analizador termogravimétrico típico consta de una balanza de precisión con un recipiente para muestras ubicado dentro de un horno con un control de temperatura programable. La temperatura generalmente se incrementa a velocidad constante (o para algunas aplicaciones la temperatura se controla para una pérdida de masa constante) para provocar una reacción térmica. La reacción térmica puede ocurrir bajo una variedad de atmósferas que incluyen: aire ambiente , vacío , gas inerte, gases oxidantes/reductores, gases corrosivos, gases carburantes, vapores de líquidos o "atmósfera autogenerada"; así como una variedad de presiones que incluyen: alto vacío, alta presión, presión constante o presión controlada.
Los datos termogravimétricos recopilados de una reacción térmica se compilan en una gráfica de masa o porcentaje de masa inicial en el eje y versus temperatura o tiempo en el eje x. Este gráfico, que a menudo se suaviza , se denomina curva TGA . La primera derivada de la curva TGA (la curva DTG) se puede trazar para determinar puntos de inflexión útiles para interpretaciones en profundidad, así como para análisis térmico diferencial .
Un TGA se puede utilizar para la caracterización de materiales mediante el análisis de patrones de descomposición característicos. Es una técnica especialmente útil para el estudio de materiales poliméricos , incluidos termoplásticos , termoestables , elastómeros , compuestos , películas plásticas , fibras , revestimientos , pinturas y combustibles .
Hay tres tipos de termogravimetría:
TGA se puede utilizar para evaluar la estabilidad térmica de un material. En un rango de temperatura deseado, si una especie es térmicamente estable, no se observará ningún cambio de masa. Una pérdida de masa insignificante corresponde a una pendiente pequeña o nula en la traza del TGA. TGA también proporciona la temperatura de uso superior de un material. Más allá de esta temperatura el material comenzará a degradarse.
TGA se utiliza en el análisis de polímeros. Los polímeros suelen fundirse antes de descomponerse, por lo que el TGA se utiliza principalmente para investigar la estabilidad térmica de los polímeros. La mayoría de los polímeros se funden o se degradan antes de los 200 °C. Sin embargo, existe una clase de polímeros térmicamente estables que son capaces de soportar temperaturas de al menos 300 °C en aire y 500 °C en gases inertes sin cambios estructurales ni pérdida de resistencia, que pueden analizarse mediante TGA. [2] [3] [4]
La caracterización de materiales más simple es el residuo que queda después de una reacción. Por ejemplo, se podría probar una reacción de combustión cargando una muestra en un analizador termogravimétrico en condiciones normales . El analizador termogravimétrico provocaría la combustión de iones en la muestra calentándola más allá de su temperatura de ignición . La curva TGA resultante trazada con el eje y como porcentaje de la masa inicial mostraría el residuo en el punto final de la curva.
Las pérdidas de masa oxidativa son las pérdidas observables más comunes en TGA. [5]
Es muy importante estudiar la resistencia a la oxidación en aleaciones de cobre. Por ejemplo, la NASA (Administración Nacional de la Aeronáutica y del Espacio) está investigando aleaciones de cobre avanzadas para su posible uso en motores de combustión . Sin embargo, la degradación oxidativa puede ocurrir en estas aleaciones a medida que se forman óxidos de cobre en atmósferas ricas en oxígeno. La resistencia a la oxidación es importante porque la NASA quiere poder reutilizar los materiales del transbordador. TGA se puede utilizar para estudiar la oxidación estática de materiales como estos para uso práctico.
La combustión durante el análisis de TG es identificable por trazas distintas realizadas en los termogramas de TGA producidos. Un ejemplo interesante ocurre con muestras de nanotubos de carbono no purificados producidos que tienen una gran cantidad de catalizador metálico presente. Debido a la combustión, una traza de TGA puede desviarse de la forma normal de una función normal. Este fenómeno surge de un rápido cambio de temperatura. Cuando el peso y la temperatura se representan en función del tiempo, un cambio dramático de pendiente en el gráfico de la primera derivada coincide con la pérdida de masa de la muestra y el aumento repentino de la temperatura observado por el termopar. La pérdida de masa podría deberse a partículas de humo liberadas al quemarse provocadas por inconsistencias en el propio material, más allá de la oxidación del carbono por una pérdida de peso mal controlada.
También se pueden utilizar diferentes pérdidas de peso en la misma muestra en diferentes puntos como diagnóstico de la anisotropía de la muestra. Por ejemplo, tomar muestras de la parte superior e inferior de una muestra con partículas dispersas en su interior puede ser útil para detectar sedimentación, ya que los termogramas no se superpondrán, sino que mostrarán un espacio entre ellos si la distribución de partículas es diferente de un lado a otro. [6] [7]
Se puede explorar la cinética termogravimétrica para comprender los mecanismos de reacción de descomposición térmica (catalítica o no catalítica) involucrados en los procesos de pirólisis y combustión de diferentes materiales. [8] [9] [10] [11] [12] [13] [14]
Las energías de activación del proceso de descomposición se pueden calcular utilizando el método de Kissinger. [15]
Aunque una tasa de calentamiento constante es más común, una tasa de pérdida de masa constante puede iluminar una cinética de reacción específica. Por ejemplo, los parámetros cinéticos de la carbonización del polivinilbutiral se encontraron utilizando una tasa de pérdida de masa constante de 0,2 % en peso/min. [dieciséis]
El análisis termogravimétrico suele combinarse con otros procesos o utilizarse junto con otros métodos analíticos.
Por ejemplo, el instrumento TGA pesa continuamente una muestra mientras se calienta a temperaturas de hasta 2000 °C para acoplarla con espectroscopía infrarroja por transformada de Fourier (FTIR) y análisis de gases por espectrometría de masas . A medida que aumenta la temperatura, se descomponen varios componentes de la muestra y se puede medir el porcentaje en peso de cada cambio de masa resultante.