Термогравиметрический анализ¶

Термогравиметрический анализ (ТГА, термогравиметрия) — это метод термического анализа, основанный на непрерывной регистрации изменения массы образца в зависимости от температуры или времени в условиях контролируемой температурной программы. ТГА позволяет изучать процессы, сопровождающиеся изменением массы вещества: разложение, испарение, сублимацию, окисление, восстановление, адсорбцию и десорбцию. Метод широко применяется в материаловедении, химии, фармацевтике, геологии и других областях для определения состава, термической стабильности и кинетики реакций.

¶История

Первые работы по измерению изменения массы при нагревании относятся к концу XIX века. В 1903 году японский химик Котаро Хонда построил один из первых приборов для термогравиметрического анализа — термовесы, позволяющие регистрировать потерю массы при нагревании минералов. В 1915 году французский учёный Поль Шевенар (Paul Chevenard) разработал автоматические весы с записью кривой на фотобумагу. В 1950-х годах с развитием электроники и точных весов появились коммерческие термоанализаторы, что сделало метод доступным для рутинного анализа. В 1960-х годах Международная конфедерация термического анализа (ICTA, ныне ICTAC) стандартизировала терминологию и методы, включая ТГА. Современные приборы — это высокоточные автоматизированные системы, часто объединённые с дифференциальной сканирующей калориметрией (ДСК) или масс-спектрометрией для анализа выделяющихся газов.

¶Принцип метода

Термогравиметрический анализ основан на измерении массы образца с помощью высокочувствительных весов (термовесов) в процессе нагрева или изотермической выдержки. Образец помещают в тигель (обычно из платины, алюминия, керамики или кварца), который находится в печи с контролируемой атмосферой. Температура изменяется по заданной программе — линейный нагрев (наиболее распространён), ступенчатый нагрев или изотермический режим. Масса регистрируется непрерывно, и на выходе получается термогравиметрическая кривая (ТГ-кривая), представляющая зависимость массы (или её потери) от температуры или времени.

¶Факторы, влияющие на результат

Скорость нагрева: более высокая скорость смещает кривые в область более высоких температур из-за кинетических эффектов.
Атмосфера: инертная (азот, аргон), окислительная (воздух, кислород), восстановительная (водород) или реакционная (CO₂, H₂O) существенно влияет на характер превращений.
Размер и форма образца: порошок, гранулы, монолит; масса образца (обычно 1–100 мг); тепло- и массоперенос внутри образца.
Тип тигля: открытый, закрытый с крышкой, с отверстием — определяет условия испарения и газообмена.

¶Оборудование

Основные компоненты термоанализатора для ТГА:

Термовесы — электромеханические или электромагнитные весы с разрешением до 0,1 мкг (обычно 0,1–1 мкг). Должны быть устойчивы к вибрациям и температурным изменениям.
Печь — резистивная или инфракрасная, обеспечивающая нагрев до 1000–1600 °C (в зависимости от модели). Охлаждение — принудительное (воздух, вода).
Датчик температуры — термопара (обычно типа S, K или R), расположенная вблизи тигля.
Система газоснабжения — масс-расходомеры для подачи одного или нескольких газов (азот, аргон, воздух, кислород, углекислый газ, водород) с возможностью переключения.
Блок управления и регистрации — компьютер с программным обеспечением для задания температурной программы, записи данных и обработки кривых.

Современные приборы часто интегрируются с другими методами: ТГА-ДСК (одновременная регистрация тепловых потоков), ТГА-МС (масс-спектрометрия выделяющихся газов), ТГА-ИК-Фурье (инфракрасная спектроскопия газов) — это позволяет идентифицировать продукты разложения.

¶Типы кривых и интерпретация

ТГ-кривая может быть представлена в виде:

Интегральная кривая — масса (в % или мг) как функция температуры. Потери массы проявляются в виде ступенек.
Дифференциальная кривая (ДТГ) — первая производная массы по времени или температуре. Пики на ДТГ соответствуют максимальной скорости потери массы и облегчают определение температуры начала и конца процесса.

Основные характеристики, определяемые по ТГ-кривой:

Температура начала разложения (T_onset) — точка пересечения базовой линии и касательной к участку наибольшего наклона.
Температура максимальной скорости потери массы (T_peak) — максимум на ДТГ.
Потеря массы на каждом этапе (Δm) — в % или мг.
Остаточная масса (зола, нелетучий остаток) при конечной температуре.

¶Применение

¶Материаловедение и полимеры

Определение термической стабильности полимеров, композитов, эластомеров.
Анализ содержания наполнителей, пластификаторов, влаги, летучих компонентов.
Изучение кинетики разложения и прогнозирование срока службы материалов.

¶Химия и нефтехимия

Анализ катализаторов: определение коксоотложения, окислительной регенерации.
Исследование пиролиза, газификации, горения угля, биомассы, нефтяных фракций.
Определение состава смесей (например, содержание карбонатов, гидратов, органики).

¶Фармацевтика

Контроль влажности и летучих примесей в лекарственных субстанциях.
Изучение стабильности и совместимости компонентов.
Определение сольватов и полиморфных форм.

¶Геология и экология

Термический анализ минералов, руд, почв.
Определение содержания органического углерода, карбонатов, глинистых минералов.
Исследование процессов дегидратации и декарбонатизации.

¶Пищевая промышленность

Анализ содержания влаги, жиров, белков в продуктах.
Изучение термической стабильности масел и жиров.

¶Достоинства и ограничения

Достоинства:

Высокая чувствительность (до 0,01% потери массы).
Возможность работы в различных газовых средах.
Количественный характер: точное определение потери массы.
Относительно быстрое получение результатов (от минут до часов).
Возможность комбинирования с другими методами.

Ограничения:

Не позволяет идентифицировать выделяющиеся газы без дополнительных методов (ТГА-МС, ТГА-ИК).
Чувствителен к условиям эксперимента (скорость нагрева, атмосфера, масса образца).
Не применим для процессов, не сопровождающихся изменением массы (плавление, кристаллизация, полиморфные переходы).
Требует тщательной подготовки образца (гомогенность, отсутствие крупных частиц).

¶Нормативные документы и стандарты

Метод регламентируется рядом международных и национальных стандартов, в том числе:

ISO 11358 (Пластмассы. Термогравиметрия полимеров).
ASTM E1131 (Стандартный метод испытаний для термогравиметрического анализа).
ASTM E2550 (Стандартный метод определения термической стабильности методом ТГА).
ГОСТ Р 57920 (Пластмассы. Определение термической стабильности методом термогравиметрии).
ГОСТ 29127 (Пластмассы. Термогравиметрический анализ полимеров).

¶См. также

Дифференциальная сканирующая калориметрия (ДСК)
Дифференциальный термический анализ (ДТА)
Термомеханический анализ (ТМА)
Термический анализ

BFOmetr — база данных и аналитика по компаниям России.

На главную BFOmetr →