Teoria da Medição Termogravimétrica e Mecânica da Balança
A análise termogravimétrica no QualiTGA-1000C funciona rastreando as flutuações de massa da amostra em tempo real enquanto aplica energia térmica programada, desde a temperatura ambiente até 1000 °C, dentro de um corpo de aquecimento selado. À medida que a energia térmica quebra ligações moleculares, extrai a umidade absorvida ou pirolisa as cadeias poliméricas, a amostra libera gases voláteis.
Δm (%) = [ ( m (t) - m 0 ) / m 0 ] × 100
Onde m 0 representa o peso inicial da amostra antes do início da corrida térmica e m(t) representa a leitura instantânea do peso capturada em qualquer coordenada de temperatura.
+-------------------------------------------------------------------------+ | Corpo do forno selado de posição fixa (1000 W) | | | | +-----------------------------------------------------------+ | | | Cadinho de cerâmica de alumina ou platina (10 mm x 6 mm) | | | +-----------------------------------------------------------+ | | | | | Haste de suporte de amostra destacável e substituível | | | | +------------------------------------|------------------------------------+ | (Haste do sensor principal) +------------------------------------|------------------------------------+ | Conjunto de balança de força eletromagnética | | (Padrão de 0.01 mg a 2 g | Opcional de 1 µg/0.1 µg e 10 g/50 g) | +-------------------------------------------------------------------------+ | [Camisa térmica com resfriamento líquido e interface Gigabit Ethernet]
O princípio do equilíbrio eletromagnético
Em vez de depender de molas mecânicas que sofrem de histerese térmica, o QualiTGA-1000C utiliza uma balança eletromagnética com compensação de ponto nulo. Um sensor óptico contínuo monitora a posição horizontal da barra da balança; qualquer perda de massa causa deslocamento da barra, que a placa de controle compensa ajustando a corrente da bobina eletromagnética.
Essa variação atual correlaciona-se linearmente com a perda de massa da amostra até uma resolução padrão de 0.01 mg (10 μg) em uma capacidade de 0.01 mg a 2 g (com configurações opcionais de sensores ultratraços de 1 μg ou 0.1 μg e opções expandidas de macro de 10 g ou 50 g).
Regulação térmica e isolamento de fronteira
O sistema dispensa o uso de elevadores motorizados ao empregar uma estrutura de forno fixa e estacionária (eliminando o desgaste de engrenagens mecânicas e as alterações no alinhamento da balança). Uma camisa de água refrigerada a líquido envolve a zona de aquecimento, isolando a célula de pesagem da deriva térmica e mantendo a estabilidade da temperatura em circuito fechado, controlada por PID, dentro de ±0.1 °C, com resolução de exibição de 0.01 °C.
Cálculos por Termograma (TG) e Método da Primeira Derivada (DTG)
O QualiTGA-1000C gera dois perfis analíticos principais: a curva TG primária (percentagem de perda de massa versus temperatura/tempo) e a curva DTG (dw/dT), que calcula a primeira derivada matemática para separar as etapas de degradação térmica sobrepostas em picos distintos.
Massa (%) dwt/dT (Taxa de Perda de Massa) 100% |-----------.. | | \ | | \ <- (T_onset: Início Extrapolado) | | \ | Taxa Máxima de Perda (T_max) | \ Curva TG | /\ | \ | / \ Curva DTG | T_50% -> \ | / \ | \ | / \ | ..---------.. |_________/ \_______ 0% +----------------------------------\----------------------+--------------------------> Temperatura Inicial T_offset Temperatura do Forno
- Temperatura de início extrapolada (T)começo): O ponto de intersecção onde a linha de base plana inicial encontra a linha tangente traçada através do ponto de inflexão do declínio de massa mais acentuado.
- Taxa de decomposição máxima (Tmax): O ponto preciso onde a velocidade de perda de massa atinge seu máximo local (d2com dT2 = 0), identificando transições específicas de componentes do polímero.
- Ponto de decomposição do ponto médio (T)50%): A marca de temperatura na qual exatamente metade da fração orgânica degradável se transformou em vapor.
- Temperatura de deslocamento extrapolada (T)compensar): O ponto térmico onde a perda de massa cessa e o traço se estabiliza novamente em um platô horizontal.
- Massa residual não combustível: A porcentagem de peso restante correspondente a cargas inorgânicas, reforço de fibra de vidro ou cinzas minerais.
Métodos Operacionais Padrão e Protocolos de Troca de Gás
| Dinâmico (Não Isotérmico) | Isotérmico | Temperatura múltipla gradual |
|---|
Rampas de aquecimento programadas
(0.1 a 80 °C/min)
• Perfil de decomposição
• Triagens rápidas | O tempo de permanência do alvo foi mantido estável.
incubação de 0 a 300 minutos
• Resistência térmica a longo prazo
• Taxas de desgaseificação e volatilidade | Imersões térmicas em várias etapas
com N automatizado2/O2 mudanças
• Composição centesimal
(Umidade / Polímero / Cinzas) |
1. Método de Aquecimento Dinâmico
O forno aplica uma rampa térmica linear desde a temperatura ambiente até uma temperatura alvo programada, utilizando velocidades definidas pelo usuário entre 0.1 e 80 °C/min (com resfriamento controlado de 0.1 a 30 °C/min acima de 100 °C). Essa abordagem dinâmica mapeia amplos perfis de decomposição e limites de estabilidade térmica.
2. Método de permanência isotérmica
O forno leva a amostra a uma temperatura predefinida e a mantém nessa temperatura por um período de incubação programado entre 0 e 300 minutos. Este método mede a resistência térmica a longo prazo, as taxas de liberação de compostos orgânicos voláteis (COVs) e o comportamento de dessorção de umidade em estado estacionário.
3. Método de composição passo a passo (N automatizado)2 / O2 (Alternando)
O QualiTGA-1000C utiliza controladores de gás de canal duplo integrados para alternar automaticamente os fluxos de gás durante uma única execução de teste, sem intervenção manual:
- Remoção de umidade e solvente (100–150 °C em N₂)2): Remove a umidade superficial livre, frações de plastificantes e solventes leves por meio de secagem em estufa.
- Craqueamento pirolítico de polímeros (150–600 °C em N₂)2): Quebra termicamente as cadeias de polímeros orgânicos em fragmentos voláteis de hidrocarbonetos sob uma atmosfera inerte.
- Queima oxidativa de carbono (600–900 °C, comutação automática para O₂)2): Combustão de negro de fumo, grafite e carbono pirolítico em CO₂.2.
- Platô de cinzas/enchimento (900–1000 °C em O2): Contém cargas inorgânicas não combustíveis (carbonato de cálcio, sílica, dióxido de titânio, fibra de vidro).
Cinética da decomposição térmica e modelagem matemática
O sistema de aquisição de dados QualiTGA-1000C registra as taxas de decomposição térmica para calcular a vida útil dos materiais e os mecanismos de reação por meio da equação fundamental de taxa:
dα / dt = k(T) · f(α) = A exp( −E a / RT ) f(α)
Onde α = (m 0 − m t ) / (m 0 − m ∞ ) é a extensão fracionária da conversão (0 ≤ α ≤ 1), k(T) é a constante de velocidade dependente da temperatura da equação de Arrhenius, A é o fator de frequência pré-exponencial (s −1 ), E a é a barreira de energia de ativação (kJ/mol), R é a constante universal dos gases (8.314 J/(mol·K)) e f(α) é a função do modelo de reação que representa o mecanismo físico de decomposição. Resolvendo para [E a , A, f(α)] determina-se o Tripleto Cinético completo.
- Métodos isoconversivos livres de modelo: Calcula a energia de ativação (E).a) em valores de conversão fixos (α) em múltiplas rampas de aquecimento (β = 2, 5, 10, 20 °C/min) sem exigir um modelo de reação assumido:
- Método de Friedman: ln[ β (dα/dT) ] = ln[ Aα f(α) ] − ( Ea / RTα )
- Flynn-Wall-Ozawa (FWO): log β = log[ ( Aα Ea ) / ( R g (α) ) ] − 2.315 − 0.4567 ( Ea / RTα )
- Kissinger–Akahira–Sunose (KAS): ln( β / Tα2 ) = ln[ ( Aα R ) / ( Ea g(α) ) ] − ( Ea / RTα )
- Rotinas de ajuste de modelos: Aplica funções de reação (como decaimento de n-ésima ordem ou difusão de Jander 3D) através do software programável do instrumento para isolar a cinética de reação individual em polímeros misturados.
Controle experimental, mitigação de deriva e normas de conformidade
- Correção de flutuabilidade e aerodinâmica do blank: À medida que o gás do forno aquece, sua densidade diminui, reduzindo a força de empuxo e registrando um ganho de peso artificial em balanças de microgramas. A utilização de um cadinho vazio de 10 mm × 6 mm sob condições de rampa e fluxo correspondentes gera uma linha de base em branco que o software subtrai dos dados brutos para garantir deriva zero da linha de base.
- Minimização do atraso térmico: Operar com taxas de aquecimento moderadas (5 a 10 °C/min) impede que a temperatura do núcleo da amostra fique atrás da temperatura medida pelo termopar de controle, evitando aumentos artificiais na temperatura (T).começo e mantendo uma separação nítida dos picos DTG.
- Seleção da massa da amostra e do cadinho: Cargas de amostra padrão entre 5 e 20 mg, distribuídas em cadinhos de alumina ou platina não reativos, evitam gradientes de transferência de calor e permitem a livre liberação de gases voláteis. Para materiais não uniformes ou compostos, configurações macro opcionais de 10 g ou 50 g eliminam a necessidade de subdivisão para microamostragem.
Metodologias de teste padrão suportadas
O QualiTGA-1000C executa procedimentos de teste padrão em total conformidade com as especificações internacionais de testes térmicos:
- ASTM E1131: Método de ensaio padrão para análise composicional por termogravimetria.
- ISO 11358 (Partes 1–3): Plásticos — Termogravimetria (TGA) de Polímeros (Princípios Gerais, Energia de Ativação e Determinação da Vida Útil).
- ASTM D3850: Degradação térmica rápida de materiais isolantes elétricos sólidos por TGA.
- ASTM D6370: Método de ensaio padrão para borracha — Análise de composição por termogravimetria.
- ASTM E1641 e ASTM E1868: Cinética da decomposição térmica e avaliação da fração volátil por perda de secagem.
