آشنایی با انواع روش های آنالیز حرارتی

آنالیز حرارتی (Thermal analysis) شامل طیف وسیعی از تکنیک هایی است که برای تعیین خواص فیزیکی و شیمیایی مواد پس از گرم و سرد شدن یا نگهداری در دمای ثابت استفاده می شود. آنالیز حرارتی شاخه ای از علم مواد است که تغییر خصوصیات مواد را با تغییر دما مورد مطالعه قرار می دهد.

از این روش برای کنترل کیفی مایعات پودر و جامدات ، تعیین انبساط حرارتی خطی، ضریب انبساط حرارتی، دمای شیشه(Tg)  ، دمای زینترینگ، تغییرات حجم و تغییرات فاز، تغییرات چگالی  ، صنعت شیشه و سرامیک، هوا فضا، صنایع خودروسازی، صنایع فلزی برای  ساخت آلیاژهای فلزی و ترکیبات مقاوم و فشرده، صنعت لاستیک و پلیمر مورد استفاده قرار می گیرد.

آنالیز حرارتی تکنیکی برای اندازه گیری تغییرات خواص فیزیکی یک ماده در اثر گرماست. روش های ترموآنالیتیکی شامل یک گروه از روش های اندازه گیری است که پاسخ و عکس العمل فیزیکی مواد را طی حرارت دیدن یا سرد شدن ارزیابی می کنند. در ادامه مقاله در نشریه جهان شیمی فیزیک در این رابطه توضیحات بیشتری ارائه می شود.

تاریخچه آنالیز حرارتی

 

تاریخچه این  تکنیک ها به سال ۱۸۸۷ برمی گردد هنگامی که هنری لو چاتلیه اولین اندازه گیری های دماسنجی خود را روی خاک رس انجام داد. از آن زمان دانشمندان مواد به دلیل ماهیت دوگانه مجذوب آنالیز حرارتی شده اند. این روش نه تنها اطلاعات تحلیلی در مورد خصوصیات اساسی مواد ارائه می دهد  بلکه یک ابزار اصلی مهندسی برای توسعه محصولات صنعتی است.

در همین دوره ، دانشمند دیگری به نام تاممن نیز کار آنالیز حرارتی مشابهی انجام داد و تکنیک حرارتی پیشرفته تر آنالیز حرارتی دیفرانسیل ، توسط  او در سال ۱۸۹۹ کشف شد. این روش ها شامل اندازه گیری اختلاف دما بین نمونه و ماده مرجع (یک ماده بی اثر ترمیکی) است. همچنین اندازه گیری تغییر جرم با استفاده از گرماسنجی (TG) توسط هوندا ، فیزیکدان ژاپنی کشف شد.

استفاده از آنالیزهای حرارتی برای اهداف جنبشی توسط مهندسان برق ژاپن ، كوجیرایی و آكاهیرا اختراع شد. در طی آن روزها ، تکنیک های خودکار برای آنالیز حرارتی ناشناخته بودند. به طور معمول دو نفر برای انجام آزمایشات (یعنی تماشای کنتورها ، ضبط داده ها و کنترل دما) برای مدت طولانی و بدون مداخله لازم بودند ، بنابراین آنالیز حرارتی کار خسته کننده و سختی بود که نیاز به صبر داشت.

بلافاصله پس از پایان جنگ جهانی دوم ، دانشمندان ژاپنی وسایل ترموآنالیتیکی تولید کردند که آزمایشات را بطور خودکار کنترل و ضبط می کردند. اتوماسیون منجر به دوره شکوفایی آنالیز حرارتی در دهه ۱۹۶۰ و ۱۹۷۰ شد و اولین کنفرانس بین المللی در مورد این روش در سال ۱۹۶۵ در آبردین اسکاتلند برگزار شد

روش های آنالیز حرارتی

 

آنالیز حرارتی دی الکتریک: تراکم دی الکتریک و ضریب افت را بررسی می کند.

آنالیزحرارتی دیفرانسیل: اختلاف دما در مقابل دما یا زمان را بررسی می کند.

کالری سنجی اسکن دیفرانسیلی: تغییرات جریان گرما در مقابل دما یا زمان را مورد مطالعه قرار می دهد.

دیلاتومتری : تغییر اندازه نمونه با تغییرات دما را بررسی می کند.

آنالیزمکانیکی دینامیک: مدول ذخیره سازی (سفتی) و مدول از دست دادن (میرایی) را در مقابل دما ، زمان و فرکانس اندازه گیری می کند.

آنالیز گازی استخراجی: آنالیز گازهای انتشار یافته در حین گرم کردن مواد که معمولاً محصولات تجزیه هستند را ارزیابی می کند.

آنالیز فلش لیزر: انتشار حرارتی و هدایت حرارتی را بررسی می کند.

آنالیز گرماسنجی: تغییر جرم در مقابل دما یا زمان را ارزیابی می کند.

آنالیز ترمومکانیکی: تغییرات بعدی در مقابل دما یا زمان را نشان می هد.

آنالیز حرارتی نوری: خواص نوری یک نمونه را بررسی می کند.

Derivatography: یک روش پیچیده در آنالیز حرارتی است.

زمینه های کاربردی آنالیز حرارتی

پلیمرها

آنالیز حرارتی کاربرد گسترده ای در صنعت پلیمر دارد. پلیمرهای ترموپلاستیک معمولاً در بسته بندی های روزمره و وسایل خانگی یافت می شوند این روش برای تجزیه و تحلیل مواد اولیه و تاثیر بسیاری از افزودنی های مورد استفاده (از جمله تثبیت کننده ها و رنگ ها) و تنظیم دقیق قالب یا پردازش اکستروژن مورد استفاده قرار می گیرد.

با آنالیز حرارتی می توان میزان پایدارکننده اکسیداسیون موجود در مواد پلیمری گرمانرم (معمولاً یک پلی الیفین) را تعیین کرد. تجزیه و تحلیل ترکیبی اغلب با استفاده از آنالیز گرماسنجی انجام می شود  که می تواند پرکننده ها ، رزین پلیمر و سایر مواد افزودنی را از هم جدا کند.

مواد کامپوزیت ، مانند کامپوزیت های فیبر کربنی یا کامپوزیت های اپوکسی شیشه ای ، اغلب با استفاده از آنالیز مکانیکی پویا بررسی می شود  که می تواند با تعیین مدول و میرایی (جذب انرژی) مواد ، سفتی مواد را اندازه گیری کند.

شرکت های هوافضا غالباً از این آنالایزرها در کنترل کیفیت  استفاده می کنند تا اطمینان حاصل کنند که محصولاتی که تولید می شوند قدرت لازم برای کاربرد در این صنعت را دارند. تولید کنندگان اتومبیل رانی با فرمول ۱ نیز الزامات مشابهی دارند.

از کالری سنجی اسکن دیفرانسیلی برای تعیین خاصیت پختگی رزین های مورد استفاده در مواد کامپوزیت استفاده می شود. با این روش مشخص می شود که آیا یک رزین قابلیت بهبود دارد و طی آن فرآیند چقدر گرما تولید می شود.

همچنین می توان از آنالیز گرماسنجی برای اندازه گیری محتوای فیبر کامپوزیت با گرم کردن نمونه برای حذف رزین با استفاده از گرما استفاده کرد و سپس جرم باقیمانده را تعیین کرد.

فلزات

تولید بسیاری از فلزات (چدن ، چدن خاکستری ، چدن داکتیله ، آهن گرافیت فشرده ، آلیاژهای آلومینیومی ، آلیاژهای مس ، نقره و فولادهای کمپلکس) توسط تکنیک آنالیز حرارتی انجام می شود.

بدین ترتیب که نمونه ای از فلزات مختلف برداشته شده و پس از ذوب توسط این روش مایع بودن ، ائوتکتیک و جامدیت آن مورد بررسی قرار می گیرد. با این آنالیز اطلاعات شیمیایی ترکیب مشخص شده و براساس نوع کاربرد می تواند تغییراتی در آن داده شود.

مواد غذایی

بیشتر مواد غذایی در طول تولید ، حمل و نقل ، ذخیره سازی ، تهیه  و مصرف در معرض تغییرات دمایی قرار می گیرند به عنوان مثال پاستوریزه کردن ، استرلیزاسیون ، تبخیر ، پخت و پز ، انجماد ، سرمازدگی و غیره . این مسئله خواص کلی محصول نهایی به عنوان مثال ، طعم ، ظاهر ، بافت و پایداری را تحت تأثیر قرار می دهید.

واکنشهای شیمیایی مانند هیدرولیز ، اکسیداسیون یا احیاء در حین این عملیات ممکن است رخ دهد یا ممکن است تغییرات فیزیکی مانند تبخیر ، ذوب ، تبلور ، تراکم یا ژله شدن اتفاق بیافتد. درک بهتر از تأثیر دما بر خواص مواد غذایی باعث می شود تولید کنندگان مواد غذایی شرایط پردازش را بهینه کرده و کیفیت محصول را بهبود بخشند.

بنابراین برای دانشمندان مواد غذایی مهم است که از تکنیک های حرارتی برای نظارت بر تغییرات ایجاد شده در مواد غذایی هنگام تغییر درجه حرارت استفاده کنند که این تکنیک ها اغلب تحت عنوان کلی آنالیز حرارتی دسته بندی می شوند.