وزن سنجی حرارتی (TGA)

    وزن سنجی حرارتی یا وزن سنجی گرمایی (Thermogravimetric Analysis)، با نام های اختصاری TA یا TGA، ساده ترین روش آنالیز حرارتی ست که در آن تغییرات جرم نمونه بر اثر حرارت دادن یا سرد کردن برای شناسایی و اندازه گیری فرایندهای فیزیکی و شیمیایی به کار می رود.

  وزن سنجی حرارتی می تواند به دو طریق ایزوترمال یا هم دما و پویا یا دینامیک انجام شود.

  وزن سنجی گرمایی هم‌دما

     وزن سنجی گرمایی هم‌دما  (Isothermal Thermogravimetry)یا وزن سنجی گرمایی ایزوترمال در یک دمای ثابت  تغییرات جرم نمونه به‌صورت تابعی از زمان ثبت می‌شود. در وزن سنجی گرمایی شبه هم‌دما  (Quasi-Isothermal Thermogravimetry) دما به صورت مرحله ای تغییر می کند. یعنی دما بعد هر تغییر وزن و رسیدن به یک جرم ثابت، افزایش می یابد.

   وزن سنجی گرمایی پویا

   وزن سنجی گرمایی پویا (Dynamic Thermogravimetry) یا وزن سنجی گرمایی دینامیکی در دمای کنترل شده تغییرات جرم نمونه به‌صورت تابعی از زمان ثبت می‌شود. برنامه ریزی دمایی بیشتر به صورت خطی ست. این روش کاربرد بیشتری از  وزن سنجی گرمایی هم‌دما  دارد و متداول تر است.

    برخلاف تصور عام، حرارت دادن مواد همیشه باعث کاهش جرم یا وزن نمی شود. فرایندهایی مانند جذب سطحی و اکسیداسیون با افزایش وزن و تبخیر، حل شدن، تجزیه، خشک شدن، آب زدایی و واجذب با کاهش وزن همراه هستند.

  دستگاهوری وزن سنجی حرارتی

  اگرچه طراحی های مختلفی برای این روش به کار رفته است، اما مهم ترین قسمت همه دستگاه ها وجود یک ترازوی بسیار حساس تجزیه ای ست که ظرف نمونه به آن متصل است. بیشتر دستگاه ها توانایی حرارت دادن به صورت ایزوترمال و یا دینامیکی را دارند. مهم ترین قسمت دستگاه TGA یا ترموگراویمتری ترازوست. ترازوها معمولا از نوع ترازوی حرارتی (Thermo-Balance) هستند. ترازوی حرارتی یا ترموبالانس ترکیبی از یک میکرو ترازوی الکترونیکی به همراه کوره و کنترل دمایی مناسب است که امکان همزمان گرما (یا سرما) دادن به نمونه و اندازه گیری وزن آن را فراهم می کند. اتمسفر ترازو با عبور یک گاز بی اثر کنترل می شود. دمیدن گاز بی اثر برای جلوگیری از واکنش های ناخواسته و یا اکسید شدن نمونه به کار می رود. ضمن این که جریان گاز بی اثر مانع آسیب رسیدن به ترازو، به علت فرایندهایی چون خوردگی ناشی از تجزیه نمونه، می شود.

   دقت ترازوی حرارتی دستگاه TGA در نتایج نهایی بسیار اهمیت دارد. ترازوهای نیمه میکرو (Semi-Micro) حد تشخیص 10 میکروگرم دارند. و ترازوهای میکرو (Micro) و اولترامیکرو (Ultra-Micro) به ترتیب حد تشخیص 1 و 0.1 میکروگرم دارند. شکل ‏1 شمای کلی یک دستگاه وزن سنجی حرارتی را نشان می دهد.

شکل ‏1 شمای کلی یک دستگاه وزن سنجی حرارتی

   خروجی دستگاه وزن سنجی حرارتی معمولا به صورت نمودار یا گراف هستند. این گراف ها اطلاعات کیفی باارزشی در مورد نمونه فراهم می کنند. شکل ‏2 نمودار TGA کلسیم اگزالات را نشان می دهد. بر اساس این شکل (طیف) کلسیم اگزالات در سه مرحله دچار تغییرات حرارتی می شود. در دمای 260-100 درجه سانتی گراد کلسیم اگزالات آب از دست داده و تبدیل به CaC₂O₄ می شود. CaC₂O₄ تا دمای حدود 340 درجه سانتی گراد پایدار باقی می ماند. با افزایش دما تا 420 یک CO از دست داده و به کلسیم کربنات تبدیل می شود. کلسیم کربنات در بازه دمایی 660-420 پایدار است اما با افزایش دما از دمای حدود 840 درجه سانتی گراد با از دست دادن یک CO₂ به اکسید کلسیم تبدیل می شود.

روش ترموگراویمتری (وزن سنجی حرارتی) می توانند با روش های طیف سنجی جرمی (TG−MS) و طیف سنجی مادون قرمز تبدیل فوریه (TG−FTIR) کوپل شود و در نتیجه نتایج کیفی و کمی بسیار ارزشمندتری از نمونه فراهم می شود.

  نکات آنالیزی روش TGA

• تغییر وزنی مواد به شرایط آنالیز مانند سرعت حرات دادن و خصوصیات نمونه شامل مقدار حجم و شکل بستگی دارد.
• نتایج TGA نیز مانند DSC  به نمونه و شرایط آزمایش بسیار وابسته است و بنابراین مقایسه نتایج دو آنالیز در دو آزمایشگاه مختلف بسیار مشکل خواهد بود.
• این روش ابزار مناسبی برای شناسایی و تعیین مواد فرار، مطالعه و بررسی سینتیک واکنش، پایداری حراتی، تجزیه و طو ل عمر مواد است.
• قیمت دستگاه به شدت به حساسیت و قدرت تفکیک ترازو وابسته است.