열중량 분석(TG 분석)은 물질의 질량과 온도 또는 시간 간의 관계를 프로그램된 온도에서 측정하는 방법입니다. 열중량 곡선을 분석함으로써 샘플의 구성, 열적 안정성, 열분해 및 그 가능한 중간 생성물과 제품 품질과 관련된 정보를 알 수 있습니다. 열중량 분석의 주요 응용 분야는 금속 합금, 지질학, 폴리머 소재 연구, 약물 연구 등입니다.
유도 열중량 분석은 열중량 분석에서 유도될 수 있습니다. 이는 TG 곡선의 첫 번째 도함수를 온도나 시간에 대해 기록하는 기술입니다. 실험 결과는 유도 열중량 곡선, 즉 DTG 곡선으로, 질량 변화율을 종축으로 하고, 위에서 아래로 감소하며; 가로축은 온도 또는 시간으로, 왼쪽에서 오른쪽으로 증가합니다.
열중량 분석의 주요 특징은 정량적이며 물질의 질량 변화와 변화율을 정확하게 측정할 수 있다는 점입니다. 이 특성에 따르면, 물질이 가열될 때 질량이 변하면 열중량 분석을 통해 연구할 수 있다고 할 수 있습니다. 물리적 및 화학적 변화는 열중량 분석을 통해 감지할 수 있습니다. 우리는 승화, 기화, 흡착, 탈착, 흡수 및 기체-고체 반응과 같은 물리적 및 화학적 변화에서 질량 변화가 있음을 알 수 있습니다.
열중량 분석을 위한 장비는 열중량 분석기로 알려져 있으며, 주로 세 부분으로 구성됩니다. 온도 제어 시스템, 탐지 시스템, 기록 시스템입니다.
열중량 분석기의 기본 원리는 측정하려는 물체를 내열성이 있는 용기에 넣고, 이를 프로그래밍 가능한 온도 제어가 가능한 고온로에 배치하는 것입니다. 측정하려는 물체는 고감도 및 고정밀의 저울에 걸쳐 있습니다. 그림 1에 나타난 것처럼, 가열 또는 냉각 중 물체의 반응으로 인한 질량 변화로 인해 발생하는 온도 변화에 의한 질량 변화를 앞서 언급한 저울을 통해 측정할 수 있습니다. 온도 측정을 위해 물체 근처에 접촉하지 않는 형태로 열전쌍을 배치하여 측정할 수 있으며, 이를 통해 측정 대상 물체의 온도를 측정하고 고온로의 온도 곡선을 제어할 수 있습니다.
그림1 열 중량 분석기의 구조 다이어그램
열중량 분석 결과는 실험 조건에 따라 달라집니다. 정확하고 반복 가능한 열중량 곡선을 얻기 위해서는 여러 영향을 미치는 요소를 면밀히 분석해야 합니다. 이들 중 열중량 실험 결과에 영향을 미치는 요소는 크게 세 가지 범주로 나눌 수 있습니다. 장비 요인, 실험 조건 요인, 샘플 요인입니다.
1.장비 요인: 가스 부력과 대류, 크루서블, 휘발성 응축, 저울의 민감도, 샘플 홀더 및 열전쌍 등이 포함됩니다. 주어진 열중량 장비에 대해 저울의 민감도, 샘플 홀더, 열전쌍의 영향은 고정되어 있으며, 질량 보정과 온도 보정을 통해 이러한 체계적인 오류를 줄이거나 없앨 수 있습니다.
(1) 부력의 영향: 샘플 주위의 가스가 온도 상승에 따라 팽창하고, 밀도가 감소하므로 샘플의 TG 값이 증가합니다.
(2) 대류의 영향: 대류의 발생은 측정을 흔들리게 만듭니다.
(3) 응축 물질의 영향: 물질 분해로 생성된 휘발성 물질이 측정 접시와 연결된 차가운 부분에 응축되어 질량 손실 측정 결과에 영향을 미칠 수 있습니다.3.샘플 요인: 주로 샘플 양, 샘플 크기 및 모양의 영향이 포함됩니다.
(1) 샘플 양의 영향: 샘플의 양은 열전도, 열확산 및 휘발성 배출에 영향을 미칩니다. 샘플 양이 많을수록 열 효과와 온도 구배가 커져 열전도와 가스 배출에 불리하며, 이로 인해 온도 편차가 발생합니다. 샘플 양이 많을수록 편차가 커지므로, 열 균형의 민감도 허용 범위 내에서 샘플 양을 가능한 한 줄여 좋은 검출 효과를 얻는 것이 좋습니다. 실제 열중량 분석에서는 샘플 양은 약 5mg 정도면 충분합니다.열중량 분석은 주로 물질의 열적 안정성, 열분해 및 공기 또는 불활성 분위기에서의 산화 분해 등 물리적 및 화학적 변화를 연구하며, 질량 변화가 수반되는 모든 물리적 과정에 광범위하게 사용됩니다.
그중에서 열중량 분석의 응용은 주로 금속 합금, 지질학, 폴리머 소재 연구, 약물 연구 등에서 활발히 이루어지고 있으며, 주요 응용 분야는 다음과 같습니다.
1.금속과 가스 간의 반응 결정: 금속과 가스 간의 반응은 기체-고체 상반응입니다. 반응 과정에서 질량 변화와 온도 간의 관계는 열중량 분석을 통해 결정할 수 있으며, 반응량의 동역학적 분석이 가능합니다.
2.지질학 응용: 광물 식별: 광물의 열중량 곡선은 구성 성분과 구조에 따라 서로 다른 특성을 보입니다. 광물의 초기 온도, 최고 온도 및 최고 면적을 알려진 광물 특성 곡선과 비교하여 광물을 식별할 수 있습니다.
3.열중량 정량 분석 방법: 샘플의 질량 변화는 프로그램된 온도 제어 하에서 일어나며, 이를 통해 샘플의 구성 성분을 정량적으로 분석할 수 있습니다. 일반적인 화학 분석 방법 및 다른 방법들과 비교했을 때, 열중량 분석은 샘플의 전처리가 필요 없고, 분석에 화학 시약이 필요 없으며, 조작과 데이터 처리도 간단하고 편리한 고유한 장점이 있습니다. 유일한 요구 사항은 열중량 곡선에서 두 개의 질량 손실 과정이 명확한 평탄한 구간을 형성해야 한다는 점이며, 이 평탄한 구간이 더 뚜렷할수록 계산 오류가 작습니다.
4.폴리머 소재 응용: 소재의 열적 안정성: 열중량 분석은 폴리올레핀, 폴리할로겐화 올레핀, 산소 함유 폴리머, 방향족 헤테로사이클릭 폴리머, 단량체, 폴리머 및 엘라스토머 폴리머 소재의 열적 안정성을 평가할 수 있습니다.
일반적으로, TG와 DTA는 반응 과정을 분석하기 위해 함께 사용되는 연결된 기술입니다. 이 기술은 다음과 같은 분야에 적용될 수 있습니다.
1.반응 과정 분석: 아래 그림에서 보듯이, 연구자들은 TG와 DTA를 결합하여 고온에서 α-MnO2의 결정 변환을 탐구했습니다. 그림 2에서 알 수 있듯이, 첫 번째 질량 손실(1.9%)은 400°C에서 발생하며, 이는 분해된 물의 제거와 대응됩니다. 530°C에서 두 번째 질량 손실이 발생하며, 이는 O2의 방출과 대응됩니다. 또한 α-MnO2에서 망가나이트 상(Mn2O3)으로의 변환이 있을 것으로 추측됩니다. 870°C에서의 흡열 피크는 결정 형태가 망가나이트(Mn3O4) 형태로 변환됨을 나타냅니다.
그림2 - α-MnO2의 TG-DTA 결과
2.샘플의 열처리 온도 결정에 TG 방법 사용: 그림 3은 공기 에칭 기술을 사용하여 그래핀 기판 표면에 미세/중간 크기의 기공을 도입한 실험 결과를 보여줍니다. 연구자들은 TG 시험 기술(그림에서 - ● -라인 참조)을 사용했으며, 여기서 설명해야 할 점은 10시간 동안 6개의 다른 온도에서 그래핀 잔여 질량을 측정한 결과만 사용되었으며, 이는 일반적인 프로그램 온도 제어와는 다소 차이가 있다는 점입니다. 그림 3에 따르면, 약 440°C에서 대량의 질량 손실이 시작되는 것을 알 수 있으며, 이는 공기로 그래핀을 에칭하는 온도임을 증명합니다. 440°C에서 그래핀 기판 표면을 에칭할 수 있으며 그래핀은 완전히 연소되지 않음을 증명하여, 미세/중간 기공을 갖는 그래핀 기판 소재를 최종적으로 얻을 수 있음을 확인할 수 있습니다.
그림 3 - TG에 의한 반응 온도 측정
4.연료의 점화 온도 및 연소 온도 조사에 TG 기술 사용: 여기서는 대나무를 고체 연료로 시험한 경우입니다. 다양한 가열 속도에서 열중량 분석이 수행되었습니다. 그림 4에서 보듯이, 두 개의 다른 질량 손실 구간이 서로 다른 반응에 대응합니다. 200-350°C 구간은 대나무에서 홀로셀룰로오스와 리그닌의 연소 및 분해와 관련되며, 350-500°C 구간에서의 질량 손실은 남아 있는 리그닌과 탄소의 연소와 대응됩니다.
그림 4 - 연료의 점화 온도 및 연소 온도 분석
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