Analisis Térmico

DTA – Análisis térmico diferencial

Esta técnica mide la diferencia de temperatura entre la muestra y una referencia (térmicamente inerte). Esta diferencia se mide a lo largo del tiempo o se programa la temperatura en una atmósfera controlada.
Esta técnica permite medir propiedades como: combustión, pirólisis, degradación, reducción, punto de Curie, cambio de transición de fase, fusión, cristalización, sorción, deshidratación, descomposición y oxidación.
La técnica se basa en el ensamblaje diferencial de termopares entre el crisol de la muestra y el de referencia. El sensor de DTA está situado en un bloque calefactado con una temperatura y atmósfera controlada.
Se mide la corriente eléctrica en microvoltios en el extremo del termopar, y esta corriente es proporcional a la diferencia de temperatura entre la muestra y la referencia.

El termograma se construye midiendo 3 señales de forma simultánea: la diferencia de potencial en microvoltios entre la muestra y la referencia, la temperatura de la muestra con un termopar adicional entre los crisoles, la temperatura del horno para ver la temperatura programada

DSC – Calorimetría diferencial de barrido

Esta técnica mide la diferencia de flujo de calor entre la muestra y una referencia (térmicamente inerte). Esta diferencia se mide a lo largo del tiempo o en una rampa de temperatura en una atmósfera controlada.
Esta técnica permite medir propiedades como: combustión, pirólisis, degradación, reducción, punto de Curie, cambio de transición de fase, fusión, cristalización, sorción, deshidratación, descomposición y oxidación.
La disposición de los termopares incluye dos cables del metal 2 y una placa con el metal 1. El sensor DSC está colocado en un bloque con temperatura y atmósfera controladas. Se pueden detectar cambios en la muestra que conducen a una evolución del calor, relativos a la referencia inerte. El flujo de calor de la parte inferior de cada crisol se mide en mW. Este diseño del sensor incrementa considerablemente la sensibilidad.
Se determina el intercambio de flujo de calor entre el horno y cada uno de los crisoles (muestra y referencia).
El sensor está dispuesto en una varilla con un ensamblaje en alúmina, que incorpora los termopares para muestra, referencia, los crisoles y la placa metálica del metal 1.

El termograma se construye midiendo 3 señales de forma simultánea: la señal medida por el sensor calibrado de DSC en diferencia de Calor (mW), un termopar adicional entre la muestra y la referencia que mide la temperatura de la muestra en º C y la temperatura del horno para ver la temperatura programada.

Podemos estudiar

• Eventos endotérmicos con absorción de calor por parte de la muestra. Ejemplos: deshidratación, dihidroxilación, cambios de transición de fase, pirólisis…etc.
• Eventos exotérmicos con liberación de calor por parte de la muestra. Ejemplos: Cristalización, oxidación. combustión, descomposición

DSC es un método cuantitativo para determinar la temperatura y el calor asociado a un evento térmico

Calorimetría

Se engloban aquí un grupo de técnicas donde se mide el calor intercambiado hacia (o desde) una muestra respecto al tiempo.
Estas técnicas permiten medir propiedades como: Reacción, degradación, disolución, desnaturalización, transición de fase, mezclado, gelatinización, disociación, sorción, descomposición.
Nuestra representada Setaram es especialista en el diseño de equipos de calorimetría de la más alta sensibilidad. Esto se debe en parte, al diseño tridimensional de su diseño para los sensores de calorimetría.

Sensor 3D
En un sensor 2D, se puede recoger hasta un 50 % del calor intercambiado.

En un sensor 3D se puede recoger hasta un 94 % del calor intercambiado.

El diseño del sensor 3D:

– Permite incrementar la cantidad de muestra.
– Aumenta la precisión.
– Aumenta la sensibilidad.

El sensor 3D CALVET está constituido por coronas de termopares que están ensamblados alrededor de un tubo metálico para crear una termopila. Los cambios que se produzcan en la muestra que den lugar a un intercambio de calor se detectan por comparación del Metal 1 y el Metal 2 con una referencia inerte.

¿Qué es un sensor elemento 3D Peltier?
El efecto Peltier es un fenómeno termoeléctrico parecido al efecto Seebeck en el que se basan los termopares.
El elemento Peltier está compuesto por una red de semi conductores colocados entre dos conductores eléctricos.
Los cambios en el calor de la muestra conducen a una diferencia de temperatura entre las caras del elemento Peltier. Un potencial en las terminales de la red es proporcional al cambio de calor que se va a registrar.

¿Cómo se construye el termograma?

Modo isotermo

La temperatura de la referencia cambia en función de la temperatura programada en el horno. El área del pico de reacción corresponde al calor liberado por la muestra.

El termograma se construye midiendo 3 señales de forma simultánea: la señal medida por el sensor calibrado de DSC en diferencia de Calor (mW), un termopar adicional entre la muestra y la referencia que mide la temperatura de la muestra en º C y la temperatura del horno para ver la temperatura programada.
Ejemplo de ensayo
Muestra: 29,94 mg de cloruro potásico, agua destilada.
Celda: Celda de membrana para mezclado. Esta celda permite alojar el sólido en la parte inferior y romper una membrana para liberar el agua sobre el sólido y así medir el calor de disolución.
Perfil térmico: Isotermo a 30 º C.

La calorimetría se utiliza para determinar el intercambio de calor, un sensor calorimétrico rodea la muestra, se utilizan cantidades mayores de muestra, la señal calorimétrica se expresa en mW.
Hay celdas específicas para la medida de diferentes fenómenos, mezclado, agitación, celdas para medida bajo presión, en atmósferas controladas…etc. Podemos incluso diseñar celdas específicas para tu aplicación.

TGA – Termogravimetría

Técnicas donde se mide la variación de masa de una muestra frente al tiempo o la temperatura, mientras se programa la temperatura de la muestra en una atmósfera controlada.
Estas técnicas permiten medir propiedades como: pirólisis, degradación, oxidación, reducción, combustión, sorción, combustión, deshidratación, descomposición…etc. Cualquier fenómeno que de lugar a un cambio de masa.
¿Qué es una termobalanza?
Hay varios tipos de termobalanzas en el mercado, diseños de balanza superior, inferior y horizontal.

• La balanza incorpora una viga articulada sobre una cinta de torsión.
• Un soporte compuesto por una ventana óptica e imanes que se desplazan hacia solenoides.
• Un sistema óptico de detección, con un haz de luz que atraviesa el orificio de la venta óptica.
• Cuando se produce una variación de masa, el haz se corta parcialmente.
• Utilizando una corriente de compensación en los solenoides se consigue que la balanza vuelva a la posición de equilibrio.
• La variación de masa es proporcional a la corriente aplicada.

¿Cómo se construye el termográma?

Eventos con perdida de masa: Ej. Deshidratación, pirólisis, descomposición, desorción, evaporación…etc.
Eventos con ganancia de masa: Ej. Adsorción, hidratación, oxidación…etc.
Ejemplo de análisis, descomposición de PVC
Muestra de PVC, en un crisol de Platino, hacemos una rampa de 25 a 700 º C con una velocidad de calefacción de 10 ºC/min.

TMA (Análisis termo mecánico y variación dimensional)

Se mide la variación dimensional de una muestra cuando se expone a una temperatura dada o a un programa de variación de temperatura.
El equipo llamado a veces dilatómetro se compone de:

• • Un cabezal de medida capaz de medir en continuo el cambio dimensional de la muestra en un eje seleccionado.
  • Un sistema de soporte.
  • Un horno donde se alojan la muestra y el soporte, con un sistema de control de temperatura que permite calentar, enfriar o mantener la temperatura constante.
  • Un sistema de gestión de gas para controlar la composición y la renovación de la atmósfera que rodea la muestra. Dependiendo de la aplicación, y de la naturaleza de los gases; se puede establecer una atmósfera inerte o reactiva, según interese.

El análisis de las variaciones dimensionales como función del tiempo o la temperatura, permite caracterizar fenómenos de expansión térmica de materiales. Otra aplicación es la densificación en procesos de sinterizado de polvos. (Por ejemplo, en algunas tecnologías de impresión 3D).
TMA y medidas de temperatura

Cuando se calienta una muestra en el analizador y ocurren ciertas transformaciones como ablandamiento, transición vítrea o sinterización; su velocidad de cambio dimensional cambiará gradualmente. Estos cambios son registrados por el sensor. Esto hace que la técnica de TMA permita caracterizar las temperaturas a las que estas transformaciones tienen lugar, por tanto, podemos determinar temperaturas de transición, ablandamiento o estados de sinterización.

TMA y medida de coeficientes de expansión térmica

TMA permite mediante medidas en serie, determinar coeficientes de expansión de un material a temperatura fija, y su variación o valor medio en un intervalo de temperatura.

Método manométrico de sorción de gas

Los análisis de sorción de gas se basan en las variaciones de presión que se producen cuando se captura un gas (adsorción o absorción) o cuando se libera un gas (desorción).

Existen equipos a baja presión (por debajo de la presión atmosférica) que se utilizan para caracterización textural.

En muchas aplicaciones actuales es conveniente medir la capacidad de adsorción de un material a presiones reales de trabajo, en el rango de 100-200 bares.

Los equipos manométricos están compuestos de.

• Una celda de medida con la muestra a caracterizar.
• Un depósito de gas con el gas de análisis conectado a la celda de medida a través de una válvula. Con volumen conocido.
• Un dispositivo para medir y controlar la temperatura de la celda de medida.
• Un dispositivo para medir y regular la temperatura del gas.
• Un sensor de presión para medir los cambios de presión en la celda.
• Un sistema que permita controlar la presión en la celda, capaz de llevarla a vacío o a una presión inicial dada.

El sistema equilibra las temperaturas, evacua la celda de medida y a continuación dosifica cantidades conocidas de gas. Como conocemos el volumen del depósito, su temperatura y su presión, se puede determinar la cantidad de gas a partir de la ecuación de estado del gas.

Cuando expandimos el gas hacia la muestra, parte del gas será adsorbido por esta. De esta forma, podemos determinar la cantidad de gas adsorbido o desorbido por la muestra, midiendo los cambios de presión y la diferencia entre el valor final real y el valor teórico si la muestra no adsorbiera nada de gas.

Podemos generar de esta forma isotermas de adsorción a una temperatura controlada y caracterizar materiales adsorbentes para la captura, separación, almacenamiento de gases o bien catalizadores.

Podemos también medir la presión de forma continua para mostrar la variación del gas capturado en función del tiempo, y así determinar la cinética de adsorción.

Otra aplicación es la medida de ciclos de adsorción / desorción para el estudio de los ciclos de captura y liberación de gas.

Método manométrico de sorción de gas

Los análisis de sorción de gas se basan en las variaciones de presión que se producen cuando se captura un gas (adsorción o absorción) o cuando se libera un gas (desorción).

Existen equipos a baja presión (por debajo de la presión atmosférica) que se utilizan para caracterización textural.

En muchas aplicaciones actuales es conveniente medir la capacidad de adsorción de un material a presiones reales de trabajo, en el rango de 100-200 bares.

Los equipos manométricos están compuestos de.

• Una celda de medida con la muestra a caracterizar.
• Un depósito de gas con el gas de análisis conectado a la celda de medida a través de una válvula. Con volumen conocido.
• Un dispositivo para medir y controlar la temperatura de la celda de medida.
• Un dispositivo para medir y regular la temperatura del gas.
• Un sensor de presión para medir los cambios de presión en la celda.
• Un sistema que permita controlar la presión en la celda, capaz de llevarla a vacío o a una presión inicial dada.

El sistema equilibra las temperaturas, evacua la celda de medida y a continuación dosifica cantidades conocidas de gas. Como conocemos el volumen del depósito, su temperatura y su presión, se puede determinar la cantidad de gas a partir de la ecuación de estado del gas.

Cuando expandimos el gas hacia la muestra, parte del gas será adsorbido por esta. De esta forma, podemos determinar la cantidad de gas adsorbido o desorbido por la muestra, midiendo los cambios de presión y la diferencia entre el valor final real y el valor teórico si la muestra no adsorbiera nada de gas.

Podemos generar de esta forma isotermas de adsorción a una temperatura controlada y caracterizar materiales adsorbentes para la captura, separación, almacenamiento de gases o bien catalizadores.

Podemos también medir la presión de forma continua para mostrar la variación del gas capturado en función del tiempo, y así determinar la cinética de adsorción.

Otra aplicación es la medida de ciclos de adsorción / desorción para el estudio de los ciclos de captura y liberación de gas.

ATMÓSFERAS CORROSIVAS

También puede interesar realizar los análisis en condiciones reales corrosivas, monitorizando el progreso de una reacción química en el tiempo. Para este tipo de aplicaciones, los equipos de análisis térmico pueden incorporar materiales que les permitan soportar estas condiciones de análisis, para ello podemos incorporar hornos más complejos, sistemas de flujo de gas, crisoles en materiales específicos y diferentes soportes de muestra. Los equipos pueden incorporar componentes construidos en metales inertes, cerámicos, polímeros como le teflón o sílice.

Control de condiciones experimentales

Las determinaciones por análisis térmico pueden ser de poca utilidad si no podemos emular las condiciones reales de trabajo. Por eso, muchas veces es interesante controlar ciertos parámetros de ensayo.

HUMEDAD

Podemos utilizar generadores de humedad para controlar el % de humedad de la atmósfera durante el ensayo. En muchas aplicaciones la humedad es fundamental como en: materiales farmacéuticos, alimentación, materiales de construcción y aislamiento, metales y aleaciones, materiales cerámicos y porosos.

PRESIÓN

En muchas ocasiones es interesante realizar medidas a alta presión, midiendo y/o controlando la presión interna en el equipo de análisis térmico.

Algunas aplicaciones donde la presión es importante: polímeros termoplásticos para inyección y moldeado, elastómeros, algunos productos alimentarios, algunos materiales de construcción, adsorbentes y catalizadores para captura, separación o transformación de gases.

ATMÓSFERAS CORROSIVAS

También puede interesar realizar los análisis en condiciones reales corrosivas, monitorizando el progreso de una reacción química en el tiempo. Para este tipo de aplicaciones, los equipos de análisis térmico pueden incorporar materiales que les permitan soportar estas condiciones de análisis, para ello podemos incorporar hornos más complejos, sistemas de flujo de gas, crisoles en materiales específicos y diferentes soportes de muestra. Los equipos pueden incorporar componentes construidos en metales inertes, cerámicos, polímeros como le teflón o sílice.

EGA (Evolved gas analysis) Análisis de gases desprendidos

Si bien un análisis termogravimétrico por TGA permite detectar y cuantificar las perdidas de masa relacionadas con un evento de descomposición térmica, no puede formalmente identificar los gases liberados durante este fenómeno. Es necesario llevar a cabo medidas complementarias, o acoplar un analizador a la salida del horno del analizador termogravimétrico.

Para este propósito, se puede adaptar un sistema de acoplamiento para llevar el gas desprendido hasta el analizador. Este sistema suele estar calefactado entre 200 y 300 º C para evitar la condensación de gases. De esta forma podemos estudiar:

• • • Liberación de determinadas moléculas por parte de un material durante su pirólisis o combustión.
    • Podemos, promover la producción de moléculas aromáticas o químicamente recuperables.
    • Limitar las emisiones de gases o vapores tóxicos.
    • Análisis fino de la composición de un material, por ejemplo, en el contexto de la ingeniería inversa.

Podemos acoplar los equipos de TGA con diferentes analizadores:

• • TG-MS – Con un espectrómetro de masas, para moléculas de bajo peso molecular.
  • TG-FTIR – Con espectrómetro Infrarrojo. Para el estudio de sustancias orgánicas liberadas.
  • TG-CG-MS – Con cromatografía de gases/masas. Este sería el método más eficiente cuando las moléculas liberadas son muy diversas. También para las aplicaciones más complejas.