Термоанализатор STA 449 F1 Jupiter NETZSCH предназначен для проведения синхронного термического анализа. Синхронный термический анализ (СТА) включает в себя: термогравиметрию (ТГ) и дифференциальную сканирующую калориметрию (ДСК). Преимущество данного метода заключается в том, что изменение массы (ТГ) и тепловой эффект (ДСК) измеряются на одном образце за одно измерение в одной системе. Термогравиметрия (ТГ) – это метод исследования и анализа, основанный на регистрации изменения массы образца в зависимости от его температуры в условиях программированного изменения температуры среды. Динамическая ТГ обычно проводится при постоянной скорости нагрева. Ее результатом является получение кривых зависимости изменения массы образца от температуры или времени. ДСК основана на сравнении тепловых характеристик измеряемого образца и так называемого эталона (в частности, пустого тигля) – термически стабильного материала, без фазовых переходов, с температурой плавления много выше интервала температур, в котором проводятся исследования. При ДСК измеряется разность соответствующих тепловых потоков. В процессе нагревания или охлаждения, при возникновении какого-либо фазового превращения первого рода в исследуемом образце происходит выделение или поглощение теплоты, в результате чего температура образца меняется быстрее или медленнее, чем температура эталона, и на термограмме, кривой зависимости разности температур или тепловых потоков от времени (температуры), появляются характерные сигналы.

Установка синхронного термического анализа STA 449 F1 Jupiter, совмещенная с квадрупольным масс-спектрометром QMS 403C Aёolos, позволяет быстро и всесторонне анализировать термостойкость, термокинетику, разложение, плавление, фазовые переходы в твердом состоянии, коррозию, кристаллизацию, состав вещества и наличие или отсутствие примесей. Прибор позволяет решать задачи в области исследования самых различных неорганических или органических веществ, однородных и комбинированных технологических материалов: пластиков, волокон, керамики, стекол, металлов и др.

Основные характеристики:

— температурный интервал 25 °C до 1650 °C;

— скорость нагревания от 0,1 до 20 К/мин;

— время охлаждения (свободное охлаждение) от 1600 °C до 100 °C 45 мин;

— точность измерения температуры 1,5 °C или 0,25 % (наибольшее значение);

— максимальная начальная масса образца 5 г;

— цифровое разрешение по массе 0,025 мкг;

— воспроизводимость измерения температуры для металлических стандартов 0,3 K;

— калориметрическая чувствительность от 0,4 до 15 мкВ/мВт;

— диапазон энтальпии от 1 до 30000 Дж/г;

— точность измерения энтальпии ± 3 %;

— диапазон теплоёмкости от 10 до 5000 Дж/кг*K;

— точность измерения теплоёмкости ± 3 %;

— температурный интервал измерения теплоёмкости от 25 °C до 1400 °C;

— программное обеспечение NETZSCHProteus;

— диапазон масс-спектрометрических измерений (1 — 300) а.е.м.;

— рабочая среда: аргон, воздух, аргон-воздух.

Пример работы:

Синхронный термический анализ смеси порошков Ва(ОН)2·8Н2О и TiO2

Метод СТА был использован для определения температурных интервалов реакций синтеза BaTiO3 из смеси порошков Ва(ОН)2·8Н2О и TiO2 и выявления особенностей их протекания. На кривых изменения массы (ТГ – кривая синего цвета) и тепловых эффектов (ДСК – кривая красного цвета) наблюдаются следующие процессы:

  1. Снижение массы образца в интервале температур (50-110) °С характеризует испарение гидратированных молекул воды (эндотермический процесс, максимум ДСК-пика – при 85 °С). На масс-спектрометре детектированы сигналы от изотопов Н2О-18, О-16 и О2-32.

  2. ДСК пик с максимумом 380 °С ответственен за плавление Ва(ОН)2. Процесс плавления обычно характеризуется узким резким пиком, протекает с поглощением тепла без потери массы образцом. В данном случае на фоне плавления наблюдается снижение массы образца, это явление связано с тем, что процесс плавления активирует процесс взаимодействия гидроксида бария с оксидом титана, описанный далее.

  3. В интервале температур (375-445) °С происходит процесс взаимодействия гидроксида бария с оксидом титана, при котором образуется титанат бария и вода, Ва(ОН)2 + TiO2 BaTiO3 + H2O↑. Испарение образовавшейся воды характеризуется снижением массы образца и поглощением тепла. На масс-спектрометре детектированы сигналы от изотопов Н2О-18, О-16 и О2-32.

  4. Известно, что гидроксид бария при хранении на воздухе взаимодействуют с углекислым газом и всегда содержит некоторое количество карбоната бария. Снижение массы образца в интервале температур (800-970) °С характеризует взаимодействие карбоната бария с оксидом титана, при котором образуется титанат бария и углекислый газ, ВаСО2 + TiO2 BaTiO3 + СO2↑. Данный процесс также характеризуется изменением наклона кривой ДСК. На масс-спектрометре детектированы сигналы от изотопов СО2-44, С-14, СО-28 и О-16.

  5. При дальнейшем нагревании наблюдается стабильное поведение образца с сохранением его постоянной массы.