Дифференциальный термический анализ: принцип и применение
Differential thermal analysis
Дифференциальный термический анализ (ДТА) – термоаналитический метод для изучения фазовых переходов веществ. Обнаружение кристаллизации, плавления и т.д.
Thermoanalytic technique similar to differential scanning calorimetry
Дифференциальный термический анализ (ДТА) – это термоаналитический метод, сходный с дифференциальной сканирующей калориметрией. В ДТА исследуемый материал и инертный образец сравнения подвергаются идентичным тепловым циклам (то есть одинаковой программе охлаждения или нагрева) с одновременной регистрацией разности температур между образцом и образцом сравнения. Эта разность температур затем отображается на графике в зависимости от времени или температуры (ДТА-кривая, или термограмма). Изменения в образце, будь то экзотермические или эндотермические, могут быть обнаружены относительно инертного образца сравнения. Таким образом, ДТА-кривая предоставляет информацию о происходящих фазовых переходах, таких как стеклование, кристаллизация, плавление и сублимация. Площадь под пиком на ДТА-кривой соответствует изменению энтальпии и не зависит от теплоемкости образца.
Differential thermal analysis (DTA) is a thermoanalytic technique that is similar to differential scanning calorimetry. In DTA, the material under study and an inert reference are made to undergo identical thermal cycles, (i. e., same cooling or heating programme) while recording any temperature difference between sample and reference. This differential temperature is then plotted against time, or against temperature (DTA curve, or thermogram). Changes in the sample, either exothermic or endothermic, can be detected relative to the inert reference. Thus, a DTA curve provides data on the transformations that have occurred, such as glass transitions, crystallization, melting and sublimation. The area under a DTA peak is the enthalpy change and is not affected by the heat capacity of the sample.
Аппаратура
ДТА состоит из держателя образцов, термопар, контейнеров для образцов и керамического или металлического блока; печи; программируемого терморегулятора; и системы регистрации. Ключевой особенностью является наличие двух термопар, подключенных к вольтметру. Одна термопара помещается в инертный материал, такой как Al2O3, а другая – в образец исследуемого материала. При повышении температуры произойдет кратковременное отклонение вольтметра, если образец претерпевает фазовый переход. Это происходит потому, что подводимое тепло повысит температуру инертного вещества, но будет поглощено в виде скрытой теплоты фазового перехода материала. ДТА обеспечивает инертную среду с использованием инертных газов, не вступающих в реакцию с образцом и эталоном. Обычно в качестве инертного газа используют гелий или аргон.
A DTA consists of a sample holder, thermocouples, sample containers and a ceramic or metallic block; a furnace; a temperature programmer; and a recording system. The key feature is the existence of two thermocouples connected to a voltmeter. One thermocouple is placed in an inert material such as Al2O3, while the other is placed in a sample of the material under study. As the temperature is increased, there will be a brief deflection of the voltmeter if the sample is undergoing a phase transition. This occurs because the input of heat will raise the temperature of the inert substance, but be incorporated as latent heat in the material changing phase. It consist of inert environment with inert gases which will not react with sample and reference. Generally helium or argon is used as inert gas.
Сегодняшние инструменты
На сегодняшнем рынке большинство производителей не выпускают полноценные системы DTA, а скорее интегрируют эту технологию в системы термогравиметрического анализа (TGA), которые предоставляют информацию как о потере массы, так и о тепловых эффектах. Благодаря современным достижениям в области программного обеспечения, даже эти приборы уступают место полноценным приборам TGA-DSC, способным одновременно измерять температуру, тепловой поток и потерю массы образца.
In today's market most manufacturers don't make true DTA systems but rather have incorporated this technology into thermogravimetric analysis (TGA) systems, which provide both mass loss and thermal information. With today's advancements in software, even these instruments are being replaced by true TGA DSC instruments that can provide the temperature and heat flow of the sample, simultaneously with mass loss.
Приложения
Кривая ДТА может использоваться лишь как «отпечаток пальца» для целей идентификации, однако обычно область применения этого метода включает определение фазовых диаграмм, измерение тепловых эффектов и изучение разложения в различных атмосферах. ДТА широко применяется в фармацевтической и пищевой промышленности. ДТА может быть использована в цементной химии, минералогических исследованиях и в экологических исследованиях. Кривые ДТА также могут применяться для датирования костных останков или изучения археологических материалов. С помощью ДТА можно определить линии ликвидус и солидус на фазовых диаграммах.
A DTA curve can be used only as a finger print for identification purposes but usually the applications of this method are the determination of phase diagrams, heat change measurements and decomposition in various atmospheres. DTA is widely used in the pharmaceutical and food industries. DTA may be used in cement chemistry, mineralogical research and in environmental studies. DTA curves may also be used to date bone remains or to study archaeological materials. Using DTA one can obtain liquidus & solidus lines of phase diagrams.