Analise Termica de Materiais - Tecnicas TG, DTA e DSC

TÉCNICAS DE ANÁLISE TÉRMICA EM MATERIAIS Profª Drª Danielle Cristina Camilo Magalhães Departamento de Engenharia de Materiais Universidade Federal de São Carlos 2º semestre de 2023 Introdução às técnicas de análise térmica Análise termogravimétrica TG e DTG Análise Térmica Diferencial DTA Calorimetria exploratória diferencial DSC Conteúdo da Aula Bibliografia Capítulos 3 e 4 Análise térmica Introdução O que são análises térmicas Análises térmicas são métodos para analisar uma mudança em uma propriedade de uma amostra a qual está relacionada com uma alteração de temperatura imposta Introdução Objetivo O objetivo principal é avaliar de maneira quantitativa a mudança de propriedades físicas em função da temperatura Refletem Mudanças físicas Mudanças químicas É necessário Controle de temperatura Controle de atmosfera Introdução Análises térmicas Termogravimetria TG Mudança de massa devido à interação com a atmosfera vaporização e decomposição Análise térmica diferencial DTA Calorimetria Exploratória Diferencial DSC Processos físicos e químicos envolvendo variação de energia Análise termomecânica TMA Análise Dilatomérica DIL Análise DinamoMecânica DMA Mudanças nas dimensões deformações propriedades viscoelásticas e transições TPP LaserLight Flash Analysis LFA Propriedades termofísicas TPP Cálculo da difusividade térmica condutividade térmica As diferentes técnicas de análise térmica permitem obter informações sobre variação de massa estabilidade térmica água livre e água ligada cristalinidade ponto de fusão ponto de ebulição controle de qualidade em polímeros calores específicos cinética da reação estudos de catalisadores transições vítreas entre outros Podem ser aplicadas a materiais metálicos cerâmicos eou poliméricos Introdução Propriedade Técnica Sigla Massa Termogravimetria TG Termogravimetria derivada DTG Temperatura Análise térmica diferencial DTA Entalpia Calorimetria exploratória diferencial DSC Propriedades mecânicas Análise termomecânica TMA Resumo com as principais técnicas e respectivas propriedades que podem ser medidas Tais técnicas são bastante aplicadas na área de ciência dos materiais Introdução Nos métodos de análise térmica as propriedades físicas podem ser monitoradas de diferentes formas A partir do valor absoluto da propriedade como é o caso da variação de massa em função da temperatura A partir da diferença entre uma propriedade de uma amostra em relação a uma referência padrão Pelo controle da taxa de mudança de uma propriedade que está sendo avaliada em função da variação da temperatura Por exemplo a variação de massa em função da temperatura Introdução Há também diferentes formas de realizar o experimento 1 Dinâmica A amostra pode ser aquecida ou resfriada a uma taxa constante As propriedades são monitoradas em função da variação da temperatura 2 Isotérmica A amostra é mantida em temperatura constante As propriedades são monitoradas em função do tempo com T constante Introdução Nesta aula estudaremos especificamente 3 técnicas Termogravimetria TG do inglês Thermogravimetry Análise Térmica Diferencial DTA do inglês Differential Thermal Analyis Calorimetria Exploratória Diferencial DSC do inglês Differential Scanning Analysis Termogravimetria TG Termogravimetria TG Tratase de uma técnica em que a massa de uma amostra em uma atmosfera controlada é registrada continuamente como uma função da temperatura ou do tempo à medida que a temperatura da amostra aumenta em geral varia linearmente com o tempo Massa mg Temperatura C Termograma ou curva de decomposição térmica Termogravimetria TG Fazendose a derivada da curva de TG obtém se o gráfico conhecido como DTG que considera a variação de massa com o tempo dmdt Massa mg Temperatura C TG DTG dmdt mgs Termogravimetria TG Curvas típicas de TG I Não ocorre nenhuma variação de massa nem decomposição na faixa de temperatura estudada II Rápida perda de massa inicial Característico de dessorção ou desidratação III Decomposição em um único estágio Limite de estabilidade de reagentes cinética de reação e estequiometria da reação IV Decomposição em múltiplos estágios V Decomposição em múltiplos estágios sem a formação de compostos intermediários VI Ganho de massa Oxidação VIIO produto de oxidação se decompõe em altas temperaturas Incomum Figure 315 TG curve for CuSO45H2O mass CuSO45H2O CuSO43H2O CuSO4H2O CuSO4 0 100 200 300 400 500 TC Equipamento evolved gas analysis balance mechanism mass computer data capture control sample furnace carrier gas programmer display mass temperature Termogravimetria TG 1 Amostra estado físico forma tamanho quantidade pureza etc 2 Portaamostras reatividade estabilidade capacidade e condutividade térmicas tamanho forma atuação como catalisador etc 3 Atmosfera reatividade influência no equilíbrio da reação condutividade térmica fluxo etc 4 Taxa de aquecimentoresfriamento resolução intensidade de sinais eventos dinâmicos análise cinética etc Fatores que afetam os resultados de TGDTG Termogravimetria TG Efeito da taxa de aquecimento Termogravimetria TG Efeito da atmosfera Termogravimetria TG Efeito da massa da amostra Termogravimetria TG Aplicável em estudos onde há variação de massa As mudanças podem ser físicas sublimação vaporização adsorção dessorção absorção oxidação redução decomposição ou químicas transformação de fase reação química com formação de novos compostos desidratação Também pode ser utilizada em estudos em que não há variação de massa Nesse caso podem ser estudados os fenômenos de fusão cristalização e transição vítrea Principais aplicações da técnica Análise Térmica Diferencial DTA Análise Térmica Diferencial DTA Na DTA é feito o monitoramento de eventos que envolvem troca de calor Neste caso tais eventos podem ser do tipo exotérmicos liberação de energia ou endotérmicos absorção de energia Outra característica importante da DTA e que a diferencia da TGDTG é que sempre é utilizada uma referência para se monitorar esses eventos No caso particular da DTA medese a diferença de temperatura entre a amostra e a referência ΔT Tr Ts em que Tr é a temperatura da amostra de referência e Ts é a temperatura da amostra que se quer analisar O resultado obtido é representado graficamente na forma de um termograma diferencial Análise Térmica Diferencial DTA ΔT 0 Exotérmica ΔT 0 Endotérmica Análise Térmica Diferencial DTA Equipamento Análise Térmica Diferencial DTA Fenômenos Processos Endotérmico Exotérmico Físicos Cristalização X Fusão X Sublimação X Adsorção X Dessorção X Transição vítrea Mudança na linha base Capacidade calorífica Mudança de inclinação da linha base Químicos Quimiosorção X Desidratação X Combustão X Reação no estado sólido X X Polimerização X Análise Térmica Diferencial DTA Resultados da DTA Na análise de resultados da DTA podem ser obtidas diferentes informações como por exemplo temperatura inicial e final intervalo de temperatura entalpia Análise Térmica Diferencial DTA Exemplo de curva de DTA para um polímero Resultados da DTA Análise Térmica Diferencial DTA Aplicações da DTA Determinação do comportamento e na composição de produtos manufaturados Estudo e caracterização de polímeros Estudos de comportamento térmico de compostos inorgânicos puros bem como em substâncias inorgânicas silicatos óxidos cerâmicas catalisadores vidros etc Obter informações sobre processos de fusão dessolvatação desidratação oxidação redução adsorção e reações no estado sólido Calorimetria Exploratória Diferencial DSC Calorimetria Exploratória Diferencial DSC No DSC medese a diferença de fluxo de calor injetado na amostra ou na referência para que se mantenham na mesma temperatura Ou seja ΔT Tr Ts 0 Se uma quantidade maior de calor for adicionada à amostra endotérmico Se uma quantidade maior de calor for adicionada à referência exotérmico Calorimetria Exploratória Diferencial DSC A principal diferença entre DSC e DTA é que a primeira é um método calorimétrico no qual são medidas diferenças em energia Na DTA são registradas as variações de temperatura O DSC foi desenvolvido para superar algumas dificuldades da DTA sendo capaz de quantificar a diferença de fluxo de calorenergia entre a amostra e a referência Existem dois tipos básicos de equipamentos DSC de compensação de energia e DSC de fluxo de calor Calorimetria Exploratória Diferencial DSC Curvas típicas de DSC Calorimetria Exploratória Diferencial DSC Interpretação de resultados No DSC de compensação de calor a área do pico é proporcional à entalpia ΔH No DSC de fluxo de calor é necessário fazer a conversão de ΔT para ΔH ΔH K ΔT Em que K é a constante de cela determinado por calibração do instrumento Calorimetria Exploratória Diferencial DSC Calibração Calorimetria Exploratória Diferencial DSC Aplicações Calorimetria Exploratória Diferencial DSC Fatores que interferem os resultados de DSC Fatores instrumentais Taxa de aquecimento Taxa de resfriamento Atmosfera Geometria do forno e do porta amostras Tipo e posicionamento dos termopares Características da amostra Quantidade Capacidade calorífica Tamanho de partícula Condutividade térmica Calorimetria Exploratória Diferencial DSC Efeito da taxa de aquecimento Propriedade Técnica Sigla Massa Termogravimetria TG Termogravimetria derivada DTG Temperatura Análise térmica diferencial DTA Entalpia Calorimetria exploratória diferencial DSC Resumo Análise Térmica