análisis térmico

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Análisis Térmico Análisis Instrumental 2 Equipo: Gabriela Guadalupe Padilla Escobedo María Josse Vásquez Mejía Sendar Daniel Nery Flores

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Page 1: Análisis térmico

Análisis Térmico

Análisis Instrumental 2Equipo:

Gabriela Guadalupe Padilla Escobedo

María Josse Vásquez MejíaSendar Daniel Nery Flores

Page 2: Análisis térmico

Análisis Térmico El análisis térmico es, por definición, la medida de los

cambios físicos o químicos que ocurren en una sustancia en función de la temperatura mientras la muestra se calienta con un programa de temperaturas controlado.

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Análisis Térmico Se pueden distinguir más de una docena de métodos

térmicos, que difieren en las propiedades medidas y en los programas de temperatura.

Estos métodos encuentran una amplia aplicación tanto en el control de calidad como en investigación de productos industriales, tales como polímeros, productos farmacéuticos, arcillas y minerales, metales y aleaciones.

Page 4: Análisis térmico

Análisis Térmico El Análisis Térmico engloba al conjunto de técnicas

analíticas que estudian el comportamiento térmico de los materiales. Cuando un material es calentado o enfriado, su estructura y su composición química sufren cambios: fusión, solidificación, cristalización, oxidación, descomposición, transición, expansión, sinterización, etc.

Estas transformaciones se pueden medir estudiar y analizar midiendo la variación de distintas propiedades de la materia en

función de la temperatura.

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Análisis Térmico Entre las técnicas de Análisis Térmico destacan:

- La Termogravimetría (TG).

- El Análisis Térmico Diferencial (DTA).

- La Calorimetría Diferencial de Barrido (DSC).

- El Análisis Termomecánico (TMA).

- El Análisis Dinamomecánico (DMA).

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Análisis termogravimétrico (TGA) Fundamento En un análisis termogravimétrico se registra

continuamente la masa de una muestra colocada en una atmósfera controlada en función de la temperatura o del tiempo en que aumenta su temperatura.

La representación de la masa o del porcentaje de masa en función del tiempo se denomina termograma o curva de descomposición térmica.

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TGA Instrumentación Los instrumentos comerciales modernos empleados en

termogravimetría constan de:

1.- Una balanza analítica sensible2.- Un horno3.- Un sistema de gas de purga para proporcionar atmósfera inerte.4.- Un microprocesador/microordenador para el control del instrumento, adquisición y visualización de datos.

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TGA La balanza Están disponibles comercialmente diferentes diseños de

termobalanzas que son capaces de proporcionar información cuantitativa sobre muestras cuyas masas van desde 1mg hasta 100g.

El tipo de balanza más común tiene un intervalo entre 5 y 20mg.

El soporte de la muestra debe de estar alojado en el horno, el resto de la balanza debe de estar aislado térmicamente del horno.

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TGA La balanza Un cambio en la masa de la muestra provoca una

desviación del brazo que cierra el paso de la luz entre una lámpara y uno de os 2 fotodiodos.

El desequilibrio resultante en la corriente fotodiódica se amplifica y alimenta la bobina E, que está situada entre los polos de un imán permanente F.

Page 10: Análisis térmico

TGA La balanza El campo magnético generado por la corriente en la

bobina devuelve el brazo a su posición original.

La corriente amplificada del fotodiodo se recoge y transforma en información sobre la masa o pérdida de masa en el sistema de adquisición de datos.

La mayoría de los casos los datos de masa frente a temperatura pueden representarse inmediatamente o almacenarse para una posterior manipulación o visualización.

Page 11: Análisis térmico

TGA El horno El intervalo de temperatura para la mayoría de los hornos

para TGA va desde temperatura ambiente hasta 1,500 °C.

A menudo se pueden variar las velocidades de calentamiento o enfriamiento del horno desde aproximadamente cero hasta valores tan elevados como 200 °C/min.

Page 12: Análisis térmico

TGA El horno Para evitar la transferencia de calor a la balanza es

necesario aislar y refrigerar el exterior del horno. Normalmente se utiliza nitrógeno o argón para purgar el horno y evitar la oxidación de la muestra.

En algunos análisis es necesario cambiar los gases de purga a lo largo del análisis.

Page 13: Análisis térmico

TGA Control de instrumento y manipulación de los datos

La temperatura registrada en un termograma es idealmente la temperatura real de la muestra. Las temperaturas registradas se miden generalmente con un pequeño termopar localizado lo más cerca posible del recipiente de muestra.

Page 14: Análisis térmico

TGA Control de instrumento y manipulación de los datos

Las termobalanzas modernas utilizan normalmente un ordenador para el control de rutina de la temperatura, que compara automáticamente la tensión de salida del termopar con una tabla que se almacena en la memoria ROM y que relaciona las tensiones con las temperaturas.

Page 15: Análisis térmico

Aplicaciones TGA Los métodos de análisis termogravimétricos están limitados

en su mayor parte a las reacciones de descomposición y de oxidación y a procesos tales como la vaporización, la sublimación y la desorción.

La aplicación más importante de los métodos gravimétricos se encuentran en el estudio de los polímeros.

Los termogramas proporcionan información sobre los mecanismos de descomposición de diversas preparaciones poliméricas. Además, los patrones de descomposición son característicos de cada tipo de polímero y, en algunos casos, pueden ser utilizados con finalidades de identificación.

Page 16: Análisis térmico

Aplicaciones TGA Estudios de descomposición y estabilidad térmica.

Estudios composicionales.

Determinación de purezas.

Determinación de contenido en humedad, materia volátil, cenizas y carbono fijo.

Estudios de gasificación de muestras carbonosas.

Estudios cinéticos.

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Calorimetría Diferencial de Barrido (DSC)

Tecnología más precisa y fundamentalmente revolucionaria forma de medir el flujo de calor.

La técnica fue desarrollada por ES Watson y MJ O'Neill en 1960, y se introdujo comercialmente en la Conferencia de 1963 sobre Pittsburgh Química Analítica y Espectroscopia Aplicada.

El término DSC fue acuñado para describir este instrumento que mide la energía directamente y permite obtener medidas precisas de la capacidad calorífica.

Page 18: Análisis térmico

DSC Fundamento Análisis Térmico engloba al conjunto de técnicas

analíticas que estudian el comportamiento térmico de los materiales.

Es una técnica cuantitativa que permite obtener información de la temperatura a la cual tiene lugar el cambio energético en estudio y del calor involucrado en el proceso.

Page 19: Análisis térmico

DSC

DSC de flujo de calor.

DSC de potencia condensada

Mide la variación en el flujo de calor entre la muestra y la referencia cuando dicha muestra se somete a un programa de temperatura en una atmósfera controlada.

Mide la potencia que hay que aportar o retirar del sistema para que muestra y referencia se mantengan a la misma temperatura cuando dicha muestra se somete a un programa de temperatura en una atmósfera controlada.

Aporte de temperatura Aporte de temperatura y cambio energético en el proceso.

Page 20: Análisis térmico

DSC Análisis de la muestra Las muestras deberán ser sólidas, debiendo tener un

tamaño de partícula inferior a 4mm.

El proceso a analizar deberá ocurrir entre -100 y 400°C.

En un solo experimento DSC, puede determinar: punto medio de transición - T m Entalpía (ΔH) y el cambio de capacidad calorífica (ΔCp) asociados con desplegado

Page 21: Análisis térmico

DSC EquipoPosee dos platillos: en uno se coloca la muestra y el otro se toma de referencia.

Calefactor: sujeta los platillos

Computadora: enciende el calefactor y somete a la muestra a la temperatura y velocidad especifica.

La computadora, asegura que la temperatura sea la misma durante todo el proceso y que los dos platillos se calienten al mismo tiempo.

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DSC

Page 23: Análisis térmico

Aplicaciones DSC Estudio de transiciones de primer orden: fusión,

solidificación, cristalización, etc... Estudio de polimorfismos. Identificación de polímeros. Estudios de polímeros: curado, transiciones vítreas,

fusión, grado de cristalinidad. Estudios de oxidaciones. Determinación de purezas. Determinaciones de Cp. Estudios cinéticos.

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Fundamento DMA La técnica de análisis dinamo-mecánica (DMA), incluida en

el grupo de las técnicas de análisis térmico, es una de la herramientas más potentes para el estudio de la influencia de la estructura molecular sobre las propiedades físicas de los polímeros, ya que tiene una gran sensibilidad para detectar cambios de movilidad interna de las moléculas.

Permite estudiar la estructura y las propiedades mecánicas de los sólidos y líquidos viscoelásticos a través de su módulo mecánico y de amortiguamiento.

Page 25: Análisis térmico

Fundamento DMA Se puede utilizar para dar información sobre la temperatura

de transición vítrea (Tg), la cristalinidad y el entrecruzamiento de polímeros.

En ensayos dinamomecánicos se aplica a la muestra una tensión oscilatoria casi siempre sinusoidal, por tanto, si un cuerpo viscoelástico es sometido a una tensión que varíe sinusoidalmente, la variación que se produce también oscilará de forma sinusoidal, aunque no estará ni en fase (como sería para un sólido elástico) ni en oposición de fase (como sería para líquidos viscosos) con la tensión, así pues, la deformación estará desplazada un ángulo δ<90°.

Page 26: Análisis térmico

Fundamento DMA Una parte de energía que se pone en juego se almacena

en forma de energía potencial elástica y que otra parte se dispara en forma de calor.

Page 27: Análisis térmico

Fundamento DMA En una curva dinamomecánica se puede ver cómo evoluciona

el estado de un polímero durante un experimento dinámico. Estas curvas son como huellas dactilares porque mediante ellas se pude conocer con qué material se está trabajando.

El interés industrial en torno del análisis dinamomecánico se centra en el conocimiento de la temperatura de transición vítrea (Tg) del material y su comportamiento a largo plazo.

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Fundamento DMA

Una prueba de barrido de la temperatura en policarbonato. La temperatura de transición vítrea de policarbonato se detectó en alrededor de 150°C.

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Equipo DMA Un analizador dinamomecánico es un equipo que controla el

estado del sistema estudiado mediante análisis cualitativos y cuantitativos, además de ser una forma de espectroscopía dinamomecánica: este tipo de análisis mide los cambios que se producen en las propiedades físicas de una sustancia en función de la temperatura, que varía de forma controlada.

Permite caracterizar un amplio rango de materiales, desde muestras blandas como los elastómeros hasta duras como las cerámicas, y estudiar tanto muestras gelificadas sin estructura definida como muestras con estructura cristalina u otros sustratos. Se pueden utilizar probetas de diferente geometría.

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Equipo DMA El analizador dinamomecánico está

formado por cuatro partes fundamentales:

1. La carcasa central recorrida por un vástago que acaba en la sonda o sistema de medida intercambiable.

2. Un detector de desplazamiento de alta sensibilidad (LVDT).

3. Un motor de fuerza lineal.

4. Un horno ligero de respuesta rápida.

Page 31: Análisis térmico

Equipo DMA Sobre el vástago que recorre el cuerpo central se aplican

todos los esfuerzos a la muestra mientras las sondas y el sistema de medida, registran medidas muy precisas y repetitivas para gran variedad de piezas y geometrías.

El LVDT (transformador diferencial de voltaje lineal) mide los cambios que se producen en las dimensiones de la muestra. Este elemento está termostatado debido a que la señal de salida depende de la temperatura.

Page 32: Análisis térmico

Equipo DMA El DMA utiliza un motor de fuerza lineal para lograr un control

preciso del esfuerzo que se le aplica a la muestra.

El horno utilizado permite trabajar a altas o bajas temperaturas mediante programas de calentamiento o enfriamiento controlados por ordenador.

Page 33: Análisis térmico

Ventajas DMA El DMA reúne la condiciones necesarias para la

caracterización de un gran cantidad de materiales, cuenta con programas informáticos que facilitan el tratamiento de datos.

Dispone de sistemas variados de medida, que son fáciles de instalar y cambiar, y que se ajustan a amplias gamas de muestras y aplicaciones.

Permite estudiar las contribuciones de distintas fases, componentes y refuerzos en el material, así como otros parámetros de interés industrial como: compatibilidad, tiempo de vida de materiales no polimerizados, resistencia a factores ambientales, etc. En esto aventaja a técnicas como el DCS y DTA que no detectan de manera sensible la transición vítrea.

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Aplicaciones DMA Determinación de las propiedades mecánicas: módulos y

amortiguamiento de los materiales viscoelásticos a lo largo de la escala de tiempos (frecuencias) de polímeros.

Detección de los movimientos moleculares. Desarrollo de relaciones entre propiedades y la estructura o

morfología del material. Entre ellas cabe destacar:a. Transición vítrea.b. Transiciones secundarias.c. Cristalinidad.d. Pesos moleculares/ entrecruzamiento.e. Compatibilidad de distintas fases (copolímeros, mezclas poliméricas, etc.)a. Efectos aditivos.b. Envejecimiento físico y químico.

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Bibliografía1) Skoog, Holler, Nieman, Principios de análisis

instrumental, Madris 2001, Quinta Edición, ED. Mc Graw Hill, Pág. 864-874.

2) http://descargas.cervantesvirtual.com/servlet/SirveObras/12048281998979394198402/006699_5.pdf

3) http://www.gef.es/Congresos/25/PDF/6-13.pdf

4) Materiales compuestos Vol. II. Antonio Miravete. Reverté. España. 2004. Pag 543.