Análisis termogravimétrico

El análisis termogravimétrico o análisis termogravimétrico ( TGA ) es un método de análisis térmico en el que se mide la masa de una muestra a lo largo del tiempo a medida que cambia la temperatura . Esta medición proporciona información sobre fenómenos físicos, como transiciones de fase , absorción , adsorción y desorción ; así como fenómenos químicos que incluyen quimisorciones , descomposición térmica y reacciones sólido-gas (por ejemplo, oxidación o reducción ). ^[1]

El análisis termogravimétrico (TGA) se lleva a cabo en un instrumento denominado analizador termogravimétrico. Un analizador termogravimétrico mide continuamente la masa mientras la temperatura de una muestra cambia con el tiempo. La masa, la temperatura y el tiempo se consideran mediciones básicas en el análisis termogravimétrico, aunque muchas otras medidas pueden derivarse de estas tres mediciones básicas.

Un analizador termogravimétrico típico consiste en una balanza de precisión con un plato de muestra ubicado dentro de un horno con una temperatura de control programable. La temperatura generalmente se aumenta a una velocidad constante (o para algunas aplicaciones, la temperatura se controla para una pérdida de masa constante) para generar una reacción térmica. La reacción térmica puede ocurrir bajo una variedad de atmósferas que incluyen: aire ambiente , vacío , gas inerte, gases oxidantes/reductores, gases corrosivos, gases carburantes, vapores de líquidos o "atmósfera autogenerada"; así como una variedad de presiones que incluyen: alto vacío, alta presión, presión constante o presión controlada.

Los datos termogravimétricos recopilados a partir de una reacción térmica se compilan en un gráfico de masa o porcentaje de masa inicial en el eje y versus temperatura o tiempo en el eje x. Este gráfico, que a menudo se suaviza , se conoce como curva TGA . La primera derivada de la curva TGA (curva DTG) se puede trazar para determinar puntos de inflexión útiles para interpretaciones en profundidad, así como para análisis térmico diferencial .

El TGA se puede utilizar para la caracterización de materiales mediante el análisis de patrones de descomposición característicos. Es una técnica especialmente útil para el estudio de materiales poliméricos , incluidos termoplásticos , termoestables , elastómeros , compuestos , películas plásticas , fibras , recubrimientos , pinturas y combustibles .

Hay tres tipos de termogravimetría:

• Termogravimetría isotérmica o estática: En esta técnica se registra el peso de la muestra en función del tiempo a una temperatura constante.
• Termogravimetría cuasiestática: en esta técnica, la temperatura de la muestra se eleva en pasos secuenciales separados por intervalos isotérmicos, durante los cuales la masa de la muestra alcanza la estabilidad antes del inicio de la siguiente rampa de temperatura.
• Termogravimetría dinámica: En esta técnica la muestra se calienta en un ambiente cuya temperatura varía de forma lineal.

El TGA se puede utilizar para evaluar la estabilidad térmica de un material. En un rango de temperatura deseado, si una especie es térmicamente estable, no se observará ningún cambio de masa. Una pérdida de masa insignificante corresponde a una pendiente pequeña o nula en el trazo del TGA. El TGA también proporciona la temperatura de uso superior de un material. Más allá de esta temperatura, el material comenzará a degradarse.

El TGA se utiliza en el análisis de polímeros. Los polímeros suelen fundirse antes de descomponerse, por lo que el TGA se utiliza principalmente para investigar la estabilidad térmica de los polímeros. La mayoría de los polímeros se funden o degradan antes de los 200 °C. Sin embargo, existe una clase de polímeros térmicamente estables que pueden soportar temperaturas de al menos 300 °C en el aire y 500 °C en gases inertes sin cambios estructurales ni pérdida de resistencia, que pueden analizarse mediante TGA. ^{[2] [3] [4]}

La caracterización más simple de los materiales es el residuo que queda después de una reacción. Por ejemplo, una reacción de combustión podría probarse cargando una muestra en un analizador termogravimétrico en condiciones normales . El analizador termogravimétrico provocaría la combustión de iones en la muestra calentándola más allá de su temperatura de ignición . La curva TGA resultante, trazada con el eje y como porcentaje de la masa inicial, mostraría el residuo en el punto final de la curva.

Las pérdidas de masa oxidativa son las pérdidas observables más comunes en TGA. ^[5]

El estudio de la resistencia a la oxidación en aleaciones de cobre es muy importante. Por ejemplo, la NASA (Administración Nacional de Aeronáutica y del Espacio) está realizando investigaciones sobre aleaciones avanzadas de cobre para su posible uso en motores de combustión . Sin embargo, la degradación oxidativa puede ocurrir en estas aleaciones, ya que los óxidos de cobre se forman en atmósferas ricas en oxígeno. La resistencia a la oxidación es importante porque la NASA quiere poder reutilizar los materiales del transbordador. El TGA se puede utilizar para estudiar la oxidación estática de materiales como estos para su uso práctico.

La combustión durante el análisis de TG se puede identificar por las trazas distintivas que se forman en los termogramas de TGA producidos. Un ejemplo interesante se produce con muestras de nanotubos de carbono sin purificar recién producidos que tienen una gran cantidad de catalizador metálico presente. Debido a la combustión, una traza de TGA puede desviarse de la forma normal de una función que se comporta bien. Este fenómeno surge de un cambio rápido de temperatura. Cuando se grafican el peso y la temperatura en función del tiempo, un cambio drástico de pendiente en el gráfico de la primera derivada es concurrente con la pérdida de masa de la muestra y el aumento repentino de la temperatura observado por el termopar. La pérdida de masa podría ser el resultado de partículas de humo liberadas durante la combustión causadas por inconsistencias en el propio material, más allá de la oxidación del carbono debido a una pérdida de peso mal controlada.

Las diferentes pérdidas de peso en la misma muestra en diferentes puntos también pueden utilizarse como diagnóstico de la anisotropía de la muestra. Por ejemplo, tomar muestras de la parte superior y de la parte inferior de una muestra con partículas dispersas en su interior puede ser útil para detectar sedimentación, ya que los termogramas no se superpondrán, pero mostrarán un espacio entre ellos si la distribución de partículas es diferente de un lado a otro. ^{[6] [7]}

Se puede explorar la cinética termogravimétrica para comprender mejor los mecanismos de reacción de la descomposición térmica (catalítica o no catalítica) involucrados en los procesos de pirólisis y combustión de diferentes materiales. ^{[8] [9] [10] [11] [12] [13] [14]}

Las energías de activación del proceso de descomposición se pueden calcular utilizando el método de Kissinger. ^[15]

Aunque es más común una tasa de calentamiento constante, una tasa de pérdida de masa constante puede arrojar luz sobre la cinética de una reacción específica. Por ejemplo, los parámetros cinéticos de la carbonización del butiral de polivinilo se hallaron utilizando una tasa de pérdida de masa constante de 0,2 % en peso/min. ^[16]

El análisis termogravimétrico a menudo se combina con otros procesos o se utiliza junto con otros métodos analíticos.

Por ejemplo, el instrumento TGA pesa continuamente una muestra a medida que se calienta a temperaturas de hasta 2000 °C para acoplarla con la espectroscopia infrarroja por transformada de Fourier (FTIR) y el análisis de gases por espectrometría de masas . A medida que aumenta la temperatura, se descomponen varios componentes de la muestra y se puede medir el porcentaje de peso de cada cambio de masa resultante.

Comparación de las técnicas de análisis gravimétrico térmico y análisis térmico diferencial:

Sr.No.	Análisis termogravimétrico (TGA)	Análisis térmico diferencial (DTA)
1	En TGA, la pérdida o ganancia de peso se mide en función de la temperatura o el tiempo.	En DTA, la diferencia de temperatura entre una muestra y una referencia se mide en función de la temperatura.
2	La curva TGA aparece como escalones que involucran porciones horizontales y curvas.	La curva DTA muestra picos ascendentes y descendentes.
3	El instrumento utilizado en TGA es una termobalanza.	El instrumento utilizado en DTA es un aparato DTA.
4	TGA proporciona información sólo para sustancias que muestran un cambio en masa al calentarse o enfriarse.	La DTA no requiere un cambio en la masa de la muestra para obtener información significativa. El DTA se puede utilizar para estudiar cualquier proceso en el que se absorba o libere calor.
5	La temperatura superior utilizada para TGA normalmente es de 1000 °C.	La temperatura superior utilizada para DTA suele ser más alta que la TGA (hasta 1600 °C).
6	El análisis cuantitativo se realiza a partir de la curva térmica midiendo la pérdida de masa m.${\displaystyle \bigtriangleup}$	El análisis cuantitativo se realiza midiendo las áreas y las alturas de los picos.
7	Los datos obtenidos en TGA son útiles para determinar la pureza y composición de los materiales, las temperaturas de secado e ignición de los materiales y conocer las temperaturas de estabilidad de los compuestos.	Los datos obtenidos en DTA se utilizan para determinar temperaturas de transiciones, reacciones y puntos de fusión de sustancias.