آنالیز حرارتی (Thermal Analysis) مجموعه‌ای از تکنیک‌های تحلیلی است که تغییرات خواص مواد را در برابر تغییرات دما بررسی می‌کند. این روش‌ها برای ارزیابی کیفی و کمی تأثیر حرارت بر مواد مختلف مانند ترکیبات شیمیایی، پلیمرها (لاستیک، پلاستیک و کامپوزیت‌ها)، سرامیک‌ها، آلیاژها، مواد معدنی، غذا و داروها کاربرد دارند. تکنیک‌های اصلی شامل تجزیه گرمایی تفاضلی (DTA)، گرماسنجی پویشی تفاضلی (DSC)، گرما وزن سنجی (TGA)، تجزیه گرما مکانیکی (TMA)، تجزیه آزادسازی گاز (EGA) و تجزیه گرمایی دینامیک-مکانیکی (DMTA) هستند. این روش‌ها با اعمال برنامه‌های دمایی کنترل‌شده، تغییرات فیزیکی و شیمیایی مواد را اندازه‌گیری می‌کنند و در صنایع مختلفی مانند داروسازی، مواد غذایی، پلیمر و معدنی نقش کلیدی ایفا می‌کنند.
اگر به دنبال اطلاعات کامل درباره آنالیز حرارتی، تفاوت تکنیک‌های TGA، DTA و DSC، مزایا، معایب و کاربردهای عملی هستید، در این این مقاله به عنوان یک منبع جامع بر اساس منابع معتبر مانند Chemistry LibreTexts و AZoM، این تکنیک‌ها را بررسی خواهیم کرد.
تاریخچه و اصول کلی آنالیز حرارتی
آنالیز حرارتی ریشه در قرن نوزدهم دارد، زمانی که دانشمندانی مانند هنری لو شاتلیه (Henri Le Chatelier) اولین دستگاه‌های اندازه‌گیری تغییرات حرارتی را توسعه دادند. تکنیک DTA در دهه ۱۸۹۰ معرفی شد، در حالی که TGA و DSC در قرن بیستم پیشرفت کردند. امروزه، این روش‌ها با دستگاه‌های پیشرفته مانند STA (Simultaneous Thermal Analysis) که TGA و DSC را ترکیب می‌کند، تکامل یافته‌اند.
اصول کلی: همه تکنیک‌های آنالیز حرارتی تغییرات یک خاصیت ماده (مانند جرم، دما یا انرژی) را به عنوان تابعی از دما یا زمان اندازه‌گیری می‌کنند. برنامه‌های دمایی می‌تواند افزایشی، کاهشی یا ایزوترمال باشد و اغلب در اتمسفر کنترل‌شده (مانند نیتروژن یا اکسیژن) انجام می‌شود. این روش‌ها برای تشخیص انتقال فاز، تجزیه، تبخیر و پایداری حرارتی ایده‌آل هستند.
روش آنالیز حرارتی DSC: کالریمتری پویشی تفاضلی
دستگاه DSC یا Differential Scanning Calorimetry جریان حرارت را بر اساس تغییرات دما اندازه‌گیری می‌کند و برای تعیین انرژی مرتبط با تغییرات فیزیکی و شیمیایی مواد مناسب است. این دستگاه از دو محفظه تشکیل شده است: یکی برای نمونه و دیگری برای مرجع که در شرایط یکسان گرم یا سرد می‌شوند.
نحوه کار و اجزای دستگاه
- نمونه (معمولاً ۱ تا ۱۰ میلی‌گرم) در دستگاه قرار می‌گیرد و اغلب با حلالی مشابه مرجع حل می‌شود.
- دستگاه جریان حرارت (mW) را نسبت به تغییر دما ثبت می‌کند.
- نمودار حاصل شامل پیک‌های اگزوترمیک (بالا) که نشان‌دهنده آزادسازی حرارت هستند و اندوترمیک (پایین) که نشان‌دهنده جذب حرارت است، می‌باشد.
انواع DSC
- Heat-Flux DSC: حساس اما کندتر
- Power-Compensated DSC: سریع‌تر اما هزینه بالاتر
مزایا و معایب
- مزایا: دقت بالا در اندازه‌گیری انرژی، نیاز به نمونه کم، نتایج معتبر به دلیل شرایط یکسان.
- معایب: حساس به ناخالصی‌ها، نیاز به کالیبراسیون دقیق، ممکن است برای مواد ناپایدار مناسب نباشد.
کاربردها
- مطالعه پروتئین‌ها، آنتی‌بادی‌ها و داروها در داروسازی.
- ارزیابی پایداری پلیمرها، انتقال شیشه‌ای و کریستالیزاسیون.
- در صنایع غذایی برای بررسی ذوب چربی‌ها.
نمونه: در DSC پلیمرها، پیک اندوترمیک نشان‌دهنده ذوب است.
نمودار DSC معمولاً جریان حرارت (mW) را در مقابل دما (°C) نشان می‌دهد:
- انتقال شیشه‌ای (Tg): تغییر شیب خط در دمای پایین، نشان‌دهنده تبدیل پلیمر از حالت شیشه‌ای به لاستیکی (اندوترمیک ضعیف). کاربرد: تعیین دمای انعطاف‌پذیری پلیمر.
- کریستالیزاسیون: پیک رو به پایین (اگزوترمیک)، نشان‌دهنده نظم یافتن مولکول‌ها و آزادسازی حرارت. کاربرد: مطالعه رفتار کریستالیزاسیون پلیمرها.
- ذوب: پیک رو به بالا (اندوترمیک)، نشان‌دهنده شکستن پیوندهای کریستالی و جذب حرارت. کاربرد: تعیین دمای ذوب و خلوص ماده.
- مساحت زیر پیک: نشان‌دهنده مقدار انرژی درگیر در واکنش.
روش آنالیز حرارتی TGA: گرما وزن سنجی
دستگاه TGA یا Thermogravimetric Analysis تغییرات جرم نمونه را نسبت به دما اندازه‌گیری می‌کند و برای ارزیابی تجزیه و پایداری حرارتی مواد کاربردی است. این دستگاه از یک ترازوی دقیق و یک کوره تشکیل شده است.
نحوه کار و اجزای دستگاه
- نمونه (پودر ریز، معمولاً ۱ تا ۱۰۰ میلی‌گرم) در اتمسفری کنترل‌شده گرم می‌شود.
- تغییرات جرم به صورت تابعی از دما یا زمان ثبت می‌گردد.
- دستگاه می‌تواند با EGA (آنالیز گازهای آزاد شده) ترکیب شود تا ترکیبات گازی که طی حرارت آزاد می‌شوند تحلیل شوند.
مزایا و معایب
- مزایا: اندازه‌گیری مستقیم و حساس جرم، پیوسته و قابل اجرا در اتمسفرهای مختلف.
- معایب: نمی‌تواند تغییرات بدون تغییر جرم (مثل ذوب) را تشخیص دهد و نیاز به نمونه خالص دارد.
کاربردها
- تعیین محتوای رطوبت و تجزیه کربنات‌ها و مواد آلی
- ارزیابی پایداری حرارتی فلزات، پلیمرها و کامپوزیت‌ها
- بررسی احتراق و تبخیر مواد فرار
نمونه: در TGA پلیمرها، کاهش جرم نشان‌دهنده تبخیر و احتراق است.
نمودار TGA جرم نمونه (درصد) را در مقابل دما (°C) نشان می‌دهد:
- کاهش اولیه (۰-۱۰۰°C): نشان‌دهنده تبخیر رطوبت یا حلال‌های فرار (۵-۱۰% کاهش جرم).
- پایداری (۱۰۰-۲۵۰°C): پلیمر پایدار است، بدون تغییر جرم. کاربرد: تعیین دمای پایداری حرارتی.
- تجزیه اصلی (۲۵۰-۴۰۰°C): شکستن زنجیره‌های پلیمری، کاهش ۷۰-۸۰% جرم. محصولات: مونومرها و گازهای فرار.
- خاکستر (بالای ۴۰۰°C): باقی‌مانده غیرقابل تجزیه. کاربرد: تعیین محتوای فیلر یا پرکننده.
روش آنالیز حرارتی DTA: تجزیه حرارتی تفاضلی
دستگاه DTA یا Differential Thermal Analysis تفاوت دما بین نمونه و مرجع را اندازه‌گیری می‌کند و برای شناسایی تغییرات حرارتی مناسب است، هرچند انرژی دقیق را اندازه‌گیری نمی‌کند.
نحوه کار و اجزای دستگاه
- نمونه و مرجع (که معمولاً ماده‌ای خنثی مانند آلومینا است) در شرایط یکسان گرم می‌شوند.
- تفاوت دما (ΔT) بین نمونه و مرجع ثبت می‌شود.
- دستگاه دارای حساسیت بالا در طیف دمایی وسیع (-۱۵۰ تا ۱۶۰۰ درجه سانتی‌گراد) است.
مزایا و معایب
- مزایا: ساده، حساس و مناسب برای دماهای بالا.
- معایب: انرژی دقیق را ارائه نمی‌دهد و حساس به نرخ گرمایش است.
کاربردها
- بررسی مواد معدنی، پلیمرها و نمونه‌های بیولوژیکی
- تشخیص انتقال فاز در داروسازی و صنایع غذایی
- تجزیه مواد بیولوژیکی مانند پروتئین‌ها
نمونه: در DTA، پیک اگزوترمیک نشان‌دهنده کریستالیزاسیون است.
نمودار DTA تفاوت دما (ΔT) را در مقابل دما (°C) نشان می‌دهد:
- دهیدراتاسیون: پیک رو به پایین (اندوترمیک) در ۵۰-۲۰۰°C، نشان‌دهنده خروج آب از ساختار کریستالی. کاربرد: تعیین محتوای آب در مواد معدنی.
- هیدراتاسیون: پیک رو به بالا (اگزوترمیک)، نشان‌دهنده تشکیل هیدرات. کاربرد: مطالعه واکنش‌های هیدراتاسیون سیمان.
- تجزیه: پیک رو به بالا (اگزوترمیک)، نشان‌دهنده اکسیداسیون یا تجزیه. کاربرد: تشخیص محصولات اکسیداسیون.
تکنیک‌های دیگر آنالیز حرارتی
TMA (Thermomechanical Analysis – آنالیز گرما-مکانیکی)
تغییرات ابعادی نمونه (انبساط یا انقباض) را در اثر دما اندازه‌گیری می‌کند.
- کاربرد: ارزیابی ضریب انبساط حرارتی در پلیمرها و سرامیک‌ها.
- مزایا: دقت بالا در تعیین خواص مکانیکی
- معایب: نیاز به نمونه بزرگ‌تر نسبت به سایر روش‌ها
EGA (Evolved Gas Analysis – آنالیز آزادسازی گاز)
گازهای آزاد شده در اثر حرارت را تحلیل می‌کند و اغلب همراه با TGA استفاده می‌شود.
- کاربرد: تعیین محصولات فرار حین تجزیه مواد
- مزایا: حساسیت بالا نسبت به گازهای غیر IR
- معایب: پیچیده و نیازمند تجهیزات تحلیلی بیشتر
DMTA (Dynamic Mechanical Thermal Analysis – آنالیز گرمایی دینامیک-مکانیکی)
خواص ویسکوالاستیک مواد را در مقابل دما اندازه‌گیری می‌کند.
- کاربرد: مطالعه رفتار مکانیکی پلیمرها و کامپوزیت‌ها
- مزایا: ارائه اطلاعات دقیق مکانیکی
- معایب: نیازمند تجهیزات پیشرفته و تخصصی
تفاوت‌های کلیدی میان TGA، DTA و DSC
| تکنیک | اندازه‌گیری اصلی | حالت نمونه | مزایا | معایب | کاربردهای اصلی |
| TGA | تغییرات جرم | پودر ریز | پیوسته، حساس | بدون تشخیص تغییرات بدون جرم | مواد معدنی، پلیمرها، احتراق |
| DTA | تفاوت دما | جامد | ساده، حساس به دماهای بالا | کمی نیست | مواد معدنی، بیولوژیکی |
| DSC | جریان حرارت | مایع (حل‌شده) | دقیق انرژی، نمونه کم | حساس به ناخالصی | پروتئین‌ها، داروها، انتقال فاز |
این تکنیک‌ها برای تحلیل جامع اغلب ترکیب می‌شوند (مانند TGA/DSC).
دستگاه آنالیز حرارتی
دستگاه‌های مدرن مانند STA 509 Jupiter (NETZSCH) یا LABSYS Evo ترکیب TGA و DSC را ارائه می‌دهند و دقت بالایی دارند.
نتیجه‌گیری:
آنالیز حرارتی ابزاری ضروری برای درک رفتار مواد در برابر حرارت است و در توسعه محصولات جدید مانند داروهای پایدار یا کامپوزیت‌های مقاوم نقش دارد. با انتخاب تکنیک مناسب، می‌توان پایداری، کیفیت و ایمنی مواد را تضمین کرد.
برای کسب اطلاعات بیشتر با متخصصین نانوابزار در تماس باشید.
