ویژه های مهامکس

آنالیز حرارتی افتراقی (DTA)

تاریح انتشار:۲۶ آذر ۱۳۹۹
تعداد بازدید:
دسته بندی: آنالیز حرارتی

دستگاه آنالیز حرارتی افتراقی یا آنالیز حرارتی تفضلی (Differential thermal analysis) برای اندازه گیری اختلاف دما بین نمونه و ماده مرجع طراحی شده است. در این آنالیز، تفاوت دمای بین نمونه و مرجع با اعمال برنامه دمایی کنترل شده اندازه گیری می‌شود و معمولا یک رابطه خطی بین دما و زمان وجود دارد. دمای بررسی در DTA معمولا از محدوده دمای اتاق تا ۱۶۰۰ درجه سانتی‌گراد را در بر می‌گیرد ولی در برخی از این دستگاه‌ها این دما ازحدود ۱۵۰ درجه سانتی‌گراد تا ۲۴۰۰ درجه سانتی‌گراد متفاوت است.

انجام آنالیز DTA

عملکرد و اجزای دستگاه‌های DTA

برای انجام آنالیز DTA، کمتر از ۱۰ میلی‌گرم از نمونه و یک مرجع خنثی در قالب‌های آلومینیومی دارای ترموکوپل قرار می‌گیرند. نمونه و مرجع به صورت متقارن در کوره قرار داده می‌شوند (شکل ۱). در شرایط کاملا کنترل شده، گرم کردن انجام می‌شود. تفاوت گرمای بین نمونه و مرجع توسط دو ترموکوپل اندازه‌گیری می‌شود، که یکی در ارتباط با بخش زیرین نگهدارنده نمونه (یا بوته) است و دیگری با بخش زیرین نگهدارنده ماده مرجع در ارتباط است. ماده مرجع باید از موادی ساخته شود که دارای شرایط زیر باشد:

  • تحت تاثیر تحولات حرارتی بالاتر از محدوده حرارت عملیات قرار نگیرد.
  • در مقابل هیچ یک از اجزای دستگاه واکنش نشان ندهد.
  • دارای هدایت حرارتی و ظرفیت گرمایی شبیه نمونه مورد آزمایش باشد.

همانطور که می‌دانید، تغییرات فیزیکی در یک ماده مانند تغییرات فازی و واکنش‌های شیمیایی، همراه با تغییرات در آنتالپی (محتوی گرمایی یک ماده) است. اگر در نمونه تغییرات فیزیکی یا شیمیایی رخ بدهد، دمای آن نیز تغییر می‌کند، در حالی که دمای مرجع، ثابت می‌ماند.

لازم به ذکر است که اگرچه ظرفیت گرمایی مرجع و نمونه‌ی مورد بررسی، متفاوت است و همیشه یک مقدار تفاوت دمایی ثابت (ΔT) بین این دو وجود دارد، اما هنگامی که نمونه دچار تغییرات دمایی گرماگیر یا گرماده می‌شود، میزان تفاوت دمایی ثابت (ΔT)، تغییر می‌کند. هنگامی که تغییرات فیزیکی در یک ماده رخ می‌دهد، گرما یا جذب می‌شود یا تولید می‌شود. به عنوان مثال، زمانی که یک کربنات فلزی تجزیه می‌شود، گاز CO2 آزاد می‌شود (این یک واکنش گرماگیر است.). به این معنی که گرمای جذب شده و دمای نمونه کاهش می‌یابد و بنابراین کمتر از دمای نمونه مرجع می‌شود. تفاوت دمای نمونه با مرجع باعث ایجاد یک سیگنال شده که توسط دستگاه ثبت خواهد شد.

عملکرد و اجزای دستگاه‌های DTA

شکل ۱: شمایی از ساختار دستگاه آنالیز DTA

با توجه به شباهت هدایت حرارتی و ظرفیت گرمایی نمونه و مرجع، در زمانی که هیچ تحول حرارتی در نمونه ایجاد نمی‌شود، تفاوت دمای بین نمونه و مرجع (ΔT) باید برابر با صفر باشد. زمانی که تحول حرارتی در نمونه ایجاد می‌شود، ΔT دیگر برابر با صفر نیست. در صورتی که تحول حرارتی گرماگیر باشد، ΔT منفی و در صورتی که تحول حرارتی گرماده باشد، ΔT مثبت خواهد شد. تحول گرماگیر منجر به کمتر شدن دمای نمونه نسبت به دمای مرجع می‌شود. در سوی دیگر، تحول گرماده موجب بالا رفتن دمای نمونه نسبت به دمای مرجع می‌شود.

عوامل موثر در آنالیز DTA و الزامات نمونه

آنالیز DTA یک تکنیک دمایی پویا است، بنابراین عوامل زیادی می‌توانند روی منحنی آن موثر باشند. به طور کلی فاکتورها را می‌توان به دو بخش تقسیم کرد:

  1. عوامل وابسته به نمونه: میزان نمونه، اندازه ذرات نمونه، فشردگی ذرات نمونه یا به عبارتی چگالی فشردگی، ظرفیت گرمایی، هدایت حرارتی، میزان بلورینگی، تورم یا آب رفتگی نمونه؛
  2. عوامل وابسته به دستگاه: اندازه و شکل نگهدارنده نمونه، جنس نگهدارنده، سرعت گرم کردن نمونه، حساسیت سیستم گزارش دهنده، محل قرارگیری ترموکوپل و اتمسفر نمونه.

درمورد اتمسفری که نمونه در معرض آن قرار می‌گیرد، لازم به ذکر است که دستگاه‌های مدرن DTA قادرند که اتمسفر موجود را از حالت خنثی به گازهای فعال تغییر دهند.

میزان نمونه مورد نیاز برای انجام آنالیز DTA معمولا بین ۱ میلی گرم تا ۱۰ میلی گرم است. در مواردی تطابق گرمایی بین نمونه و مرجع معمولا با رقیق کردن نمونه (که بتواند جرم کلی این دو را در هر بوته تا حد امکان به هم نزدیک نگه دارد.) صورت می‌گیرد. بوته‌ها معمولا از جنس فلز (آلومینیوم و پلاتین) یا سرامیک (سیلیکا) هستند و ممکن است بدون در یا همراه سرپوش باشند.

کاربرد آنالیز DTA

آنالیزهای حرارتی عمدتا به منظور مشخصه یابی ویژگی‌های حرارتی و ساختاری یک ماده استفاده می‌شود. اما به طور خاص درمورد آنالیز DTA، برای مشخصه یابی های موارد زیر استفاده می‌شود:

  • شناسایی مواد و بررسی ثبات دمایی مواد
  • ترسیم دیاگرام‌های فازی مطالعه انتقال فازها
  • اندازه‌گیری تغییرات انرژی (آنتالپی، ΔH)
  • تعیین دمای تجزیه ترکیبات آلی
  • مشخصه یابی مواد معدنی
  • آنالیز کمی ترکیبات پلیمری (مواری مانند تعیین دمای شیشه‌ای (Tg)، تغییرات بلورینگی و … )
  • مشخصه یابی پلیمرها
  • سایر کاربردهای مرتبط با صنایع دارویی و غذایی، شیمی سیمان و مطالعات محیطی و باستان‌شناسی.