آنالیز حرارتی همزمان (STA)

روش‌های آنالیز حرارتی، سهم بسیار مهمی از روش‌های مشخصه‌یابی در مهندسی و علم مواد را به خود اختصاص می‌دهند. همه‌ی این روش‌ها تغییرات خواص مواد را نسبت به تغییرات دما ارزیابی می‌کنند. در این میان آنالیز حرارتی همزمان (یا به‌طور مخفف آنالیز STA) از روش‌های بسیار پرکاربرد است. دلیل این‌ که این آنالیز را «همزمان» می‌نامند، این است که تلفیقی از گرماسنج تفاضلی یا DTA و آنالیز توزین حرارتی یا TGA را فراهم می‌آورد. بنابراین برای درک بهتر این مبحث، ابتدا مروری بر این دو روش خواهیم داشت و سپس به بررسی مکانیزم آنالیز STA می پردازیم.

مروری بر آنالیزهای DTA و TGA

همان‌طور که می‌دانیم در آنالیز TGA، نمونه در اثر گرما تجزیه شده و یا با محیط گازی اطراف خود واکنش می‌دهد. دستگاه توزین حرارتی TGA به طور مجزا، دارای یک ترازوی الکترونیکی حساس است که تغییرات وزن نمونه را بر حسب تغییر جریان الکتریکی، در یک سیم‌پیچ اندازه‌گیری می‌کند. در آنالیز DTA، ماده تحت مطالعه و یک نمونه شاهد بی‌اثر باید تحت چرخه‌های حرارتی یکسان (یعنی همان برنامه‌ی سرمایش یا گرمایش) قرار گیرند. در این حین هرگونه اختلاف دما بین نمونه مورد آزمون و نمونه شاهد ثبت می‌گردد و در نهایت نمودار این اختلاف دمایی بر حسب زمان رسم می شود.

طی چهار دهه‌ی گذشته، روش آنالیز حرارتی همزمان که در آن دستگاه‌های TGA و DTA در یک جا جمع شده‌اند، مرسوم شده است. در واقع دستگاه آنالیز STA ، منحنی‌های TGA و DTA را به طور همزمان ثبت می‌کند. بنابراین برتری این دستگاه نسبت به دستگاه‌های مجزا، کاهش زمان آنالیز و یکسان بودن شرایط آزمایش برای هر دو روش آنالیز حرارتی مذکور است.

اساس کار آنالیز حرارتی همزمان (STA)

شرایط انجام آنالیز حرارتی همزمان ، مشابه آنالیزهای TGA و DTA است. در این روش اندازه‌گیری اثرات حرارت (تغییر دما و آنتالپی) و تغییرات جرمی نمونه، همزمان صورت می‌گیرد. دستگاه آنالیز STA ، به راحتی با انتخاب یک کوره بهینه، نصب سنسور ایده‌آل و استفاده از لوازم جانبی مناسب می‌تواند تنظیم شود.

اساس کار این دستگاه به این صورت است که با قرار دادن یک نمونه در قسمت قرارگیری نمونه‌ی آزمایش و اجرای فرایند آزمون، آنالیزهای TGA و DTA به‌طور همزمان انجام می‌گیرد. اطلاعات جمع‌آوری‌شده از این آزمون را می توان با کوپل کردن ابزار تجزیه حرارتی همزمان به یک تحلیل‌گر گاز با تبدیل فوریه و یا یک طیف‌سنج مادون‌قرمز، افزایش داد. در نهایت نرم‌افزار دستگاه یک نمودار تلفیقی به پژوهشگر ارائه می‌دهد که در یک ستون نتایج توزین حرارتی و در ستون دیگر گرماسنجی تفاضلی انجام گرفته است.

برای مثال شکل زیر یک نمودار نرم افزاری حاصل از آنالیز STA را نشان می‌دهد. در این شکل دیده می‌شود که در سمت راست، ستون TGA و در سمت چپ ستون DTA لحاظ گردیده و از تلفیق این دو آنالیز دمای شیشه‌ای شدن نمونه مورد نظر بدست آمده است. قابل ذکر است دست‌یابی به دمای شیشه‌ای شدن یکی از قابلیت‌های آنالیز حرارتی همزمان است.

نرم افزار آنالیز حرارتی STA

اجزای دستگاه آنالیز STA

این دستگاه شامل یک تحلیل‌گر جریان حرارتی با کارایی بالاست که تفکیک‌پذیری بالانس حرارتی منحصربه‌فردی را در خود جای داده است. این موضوع به کمک بخش‌های متعدد و پیچیده‌ای حاصل شده است که در این دستگاه وجود دارد و در شکل زیر به‌ خوبی مشخص شده است.

اجزای دستگاه آنالیز حرارتی همزمان (STA)

قدرت تفکیک دستگاه آنالیز STA تا حدود ۱ میکروگرم قابل افزایش است. گستره‌ی دمایی تحت مطالعه در آن نیز از ۱۵۰- تا ۲۴۰۰ درجه سانتیگراد است. بدیهی‌ست این محدوده‌ی دمایی وسیع با استفاده از سنسورهای مختلف قابل اجرا می‌گردد. جدول زیر انواع سنسورهای دستگاه آنالیز STA و محدوده دمایی هر یک را نشان می‌دهد.

سنسورهای دستگاه آنالیز STA

عامل مهم دیگر در ایجاد تنوع دمایی در حین آزمایش‌های مختلف با دستگاه STA، نوع کوره‌ای است که دستگاه استفاده می‌کند. همان‌طور که در شکل بیرونی دستگاه مشخص است، کوره‌های این دستگاه دوگانه‌اند و به‌ راحتی قابلیت جابجایی و تعویض توسط اپراتور را دارند. در ضمن نرخ تغییرات دما را می‌توان تا ۱۰۰۰ کلوین بر دقیقه افزایش داد. جدول زیر انواع کوره‌های دستگاه آنالیز STA و محدوده دمایی هر یک را نشان می‌دهد.

کوره های دستگاه آنالیز حرارتی همزمان

امروزه پمپ‌هایی با تکنولوژی‌ پیشرفته در این دستگاه‌ها به کار می‌رود که امکان اعمال اتمسفرهایی دلخواه را فراهم می‌آورد. اخیرا این پمپ‌ها توانایی اعمال فشار ^۴–۱۰ میلی‌ بار را نیز کسب کرده‌اند. افزونه‌هایی مانند کاهنده اکسیژن OTS نیز برای به حداقل رساندن اثرات اکسیژن به دستگاه آنالیز STA اضافه می‌گردند. برای اجرای آزمایش‌های گازی، سیستمِ دستگاه آنالیز حرارتی همزمان ، می‌تواند به ابزارهای دیگری چون QMS و FT-IR متصل شود.

در این بخش برای آشنایی بیشتر با آنالیز STA، توجه شما را به فیلمی که در این خصوص تهیه شده، جلب می کنیم:

کاربردهای آنالیز STA

روش آنالیز حرارتی همزمان مزایا و کاربردهای زیادی دارد که از جمله مهم‌ترین آن‌ها می‌توان موارد زیر را نام برد:

• اندازه‌گیری پارامترهایی مانند تغییر در جرم، دمای انتقال کریستاله به شیشه‌ای، دمای تجزیه شیمیایی، پایداری حرارتی، پایداری
• اکسیداسیونی، آنتالپی، گرمای ویژه و نمودارهای فازی
• آنالیز حرارتی نمونه‌های پودری و یا قطعات بسیار کوچک فلزی و غیرفلزی (در اتمسفر هوا و یا گازهای بی اثر)
• مطالعه حالت‌های کاتالیستی، واکنش‌های تجزیه و سرعت واکنش‌ها
• مطالعه پلیمریزاسیون مواد آلی
• مشخصه‌یابی واکنش‌های ذوب و انجماد و تبخیر و تصعید
• مطالعه پیرولیز ذغال سنگ، چوب و مشتقات نفتی
• تعیین مقدار رطوبت، مواد فرار و خاکستر مواد مختلف

مزایا و محدودیت های آنالیز STA

در مقایسه با دیگر روش‌ها، آنالیز حرارتی همزمان مزایایی دارد که مهم‌ترین آن‌ها عبارتند از:

• دامنه دمایی بسیار بالای آنالیز STA (محدوده ۱۵۰- تا ۲۴۰۰ درجه سانتیگراد) در مقایسه با آنالیزهای TGA و DTA (محدوده ۱۵۰- تا ۱۷۰۰ سانتیگراد)
• سرعت تغییرات دمایی بالا تا ۱۰۰۰ کلوین بر دقیقه
• قابلیت ایجاد تنوع در جنس کوره، سنسورها و اتمسفر آزمون
• بررسی توابع سینتیکی تغییرات دمایی با دقت بالا

در کنار مزایای ذکر شده، این روش آنالیز دارای خطاهایی نیز هست. ریشه یکی از این خطاها، پدیده شناوریست. چون کفه جا نمونه ای در حالت TGA، در محیط سیال گاز شناور است، نیروی ارشمیدسی از پایین به بالا به آن وارد می‌شود. این نیرو، تابع فشار، دما و جنس گاز بوده و باید با شرایط گوناگون آزمایش، تصحیحات لازم را انجام داد.

یکی از معایب این روش آنالیز، پدید آمدن جریان همرفتی در داخل کوره و کاهش ارزش حرارتی جا نمونه‌ای است که معمولا با قرار دادن مانعی مانند قطعه آلومینایی یا عبور گاز هلیوم در منطقه بالای کوره، تلاش می کنند که از شدت آن کاسته شود.

از دیگر معایب این روش می‌توان موارد زیر را نام برد:

• تصعید برخی مواد از منطقه گرم کوره و رسوب آن در منطقه سرد
• کاهش حساسیت ترموکوپل مورد استفاده در دستگاه طی زمان
• نیاز به کالیبره کردن ادواری
• مطالعات موردی

در این بخش برخی از کاربردهای عملی آنالیز STA را با ذکر چند پژوهش علمی شرح می‌دهیم:

مشخصه‌یابی مواد منفجره: طی پژوهشی ماده‌ای منفجره به‌نام RDX T4 با دستگاه آنالیز STA بررسی شد. پس از بررسی نتایج و نمودار زیر، مشخص شد که این ماده در دمای ۱۵۰ درجه سانتیگراد شروع به کاهش جرم می‌کند. در منحنی اندوترمیک DSC در دمای ۲۰۶ درجه سانتیگراد، یک پیک حاصل شده است. این پیک نشان‌دهنده ذوب ماده‌ RDX است که با آنتالپی ۱۲۳ ژول بر گرم انجام می‌گیرد.

آنالیز ماده منفجره RDX T4 توسط آنالیز STA

آنالیز مواد کامپوزیتی: پلیمرهای با تقویت کننده‌ی کربنی ‌(CFRP) به‌دلیل پایداری و سبک‌وزن بودن، بسیار پر طرفدارند. یک نمونه از این ماده در تست STA بررسی شده و نمودار زیر حاصل گردیده است. می‌توان مشاهده کرد که در دمای ۳۲۹ درجه سانتیگراد، ماتریس پلیمری ذوب شده و آنتالپی ۲۵ ژول بر گرم برای آن تعیین گردیده است. بین دماهای ۴۸۰ و ۶۲۰ درجه سانتیگراد نیز تجزیه پیرولیتیک پلیمر زمینه رخ داده است.

بررسی تجزیه ماده کامپوزیتی CFRP توسط آنالیز حرارتی STA

سوختن لینولیوم (linoleum): این ماده به صورت عمده در کف‌پوش های ساختمانی کاربرد دارد. با توجه به نمودار دیده می‌شود که پس از تبخیر رطوبت در کم‌تر از ۱۵۰ درجه سانتیگراد، فرایند سوختن این ماده بین ۲۰۰ و ۵۰۰ درجه سانتیگراد روی می‌دهد و کل گرمایی که در طول اکسیداسیون آزاد می‌شود، ۱۴.۵ کیلوژول بر گرم است.

گرمای آزاد شده در واکنش سوختن لینولیوم

جمع بندی

همان‌طور که در این مقاله ذکر کردیم، روش آنالیز حرارتی همزمان یا STA، یک روش استاندارد و مورد اعتماد است که کاربرد همگامِ انواع مختلف تکنیک‌های آنالیز حرارتی را تسهیل می‌کند. در صورتی‌که به یک روش آنالیز حرارتی دقیق، جامع و سریع نیاز داشته باشید، حتما این روش پیشنهاد می‌شود. افزایش سالانه‌ی استفاده از این دستگاه در مجامع تحقیقاتی و تحصیلی نشان‌دهنده‌ی کاربردهای رو به رشد آنالیز STA است.

برای مطالعه بیشتر در خصوص روش های آنالیز حرارتی مواد، مطالعه پست های زیر را به شما پیشنهاد می کنیم:

• معرفی آنالیز TGA و DTG (توزین حرارتی و مشتق توزین حرارتی)
• آشنایی با آنالیز دیلاتومتری (DL)
• آنالیز حرارتی همزمان (STA)
• آنالیز حرارتی و کاربردهای آن (Thermal Analysis)

منابع

ف.گلستانی فرد، م.ع.بهره ور، ا.صلاحی (۱۳۹۶). «روش های شناسایی و آنالیز مواد»، چاپ هفتم، انتشارات دانشگاه علم و صنعت ایران
www.sartorom.ro
www.netzsch-thermal-analysis.com