آنالیز STA

آنالیز STA یا آنالیز حرارتی همزمان (Simultaneous Thermal Analysis) یکی از روش های آنالیز حرارتی است که تغییرات خواص ماده را نسبت به تغییر دما توسط برنامه حرارتی کنترل شده ثبت می کند. از آن جایی که انالیز STA ، تلفیقی از آنالیز DTA و آنالیز توزین حرارتی (TGA) است، به آن آنالیز حرارتی همزمان گفته می شود. به این منظور که در آنالیز حرارتی همزمان ، بررسی اثر حرارت (تغییر دما و آنتالپی) و تغییر جرم نمونه به صورت همزمان انجام می شود. تنظیم دستگاه آنالیز STA توسط یک کوره، یک سنسور ایده آل و لوازم جانبی مناسب امکانپذیر است.

اساس کار دستگاه آنالیز حرارتی STA

اساس کار این آزمون به این صورت است که، با قرار دادن نمونه در دستگاه آنالیز حرارتی همزمان و ران کردن دستگاه، آنالیز های DTA و TGA به صورت هم زمان برای نمونه مورد نظر انجام می شوند. اگر ابزار دستگاه آناليز STA را به یک تحلیل گر گازی با تبدیل فوریه و یا یک طیف سنج مادون قرمز کوپل کنید، اطلاعات بیشتری را می توانید جمع آوری کنید.

شماتیک دستگاه آنالیز حرارتی همزمان

نتایجی که دستگاه اناليز STA به کاربر در انتها ارائه می دهد، یک نمودار تلفیقی است که در یک قسمت آن، نتایج توزین حرارتی و در قسمت دیگر، نتایج گرماسنجی تفاضلی ارائه شده است.

ویژگی های دستگاه آنالیز STA

همانطور که پیش تر اشاره شد، دستگاه آنالیز حرارتی همزمان دارای یک تحلیل گر است که وظیفه تفکیک پذیری بالانس حرارتی را بر عهده دارد. محدوده دمای کاری این دستگاه بین 150 تا 2400 درجه سانتی گراد بوده و به همین دلیل، سنسورهای مختلفی نیز در آن تعبیه شده است. از طرفی برای تامین حرارتی با این محدوده دمایی، نوع کوره ای که در دستگاه آنالیز حرارتی STA استفاده می شود نیز مهم می باشد. جنس کوره ها با توجه به دمایی که می توانند تامین کنند و سیستم خنک کننده آن ها متفاوت است. برای مثال، کوره تنگستنی محدوده دمایی از دمای اتاق تا 2400 درجه سانتی گراد را می تواند تامین کند و از آب برای خنک کردن آن استفاده می شود.

تصویر دستگاه آنالیز حرارتی STA

 انواع کوره های دیگر از جنس نقره، استیل، پلاتین، سیلیکون کاربید، گرافیت و غیره می باشند. در این دستگاه ها پمپ هایی با تکنولوژی پیشرفته تعبیه می شود که توانایی اعمال اتمسفرهایی دلخواه را داشته باشند. تجهیزات دیگری نیز مانند کاهنده اکسیژن OTS نیز به دستگاه آنالیز حرارتی STA اضافه می شود تا اثرات اکسیژن را به حداقل برساند.

کاربرد آنالیز حرارتی STA

این آزمون هم در بخش پژوهشی و هم در صنعت برای کاربران مفید بوده و اطلاعات ارزشمندی در اختیار آن ها قرار می دهد. چرا که با استفاده از نتایج انالیز STA می توان شناسایی مواد را به خصوص هنگامی که روش هایی مانند پراش پرتو ایکس و آنالیز های میکروسکوپی توانایی ارزیابی نهایی را دارند، تکمیل کرد. کاربرد آنالیز STA در به دست آوردن خواص فیزیکی نمونه و بررسی رفتار ماده با افزایش دما اهمیت پیدا می کند. برای مثال، با کمک آنالیز حرارتی همزمان می توان دمای شیشه ای شدن یک نمونه را به دست آورد. از دیگر کاربردهای آنالیز حرارتی همزمان می توان به موارد زیر اشاره کرد:

• این آزمون برای آنالیز حرارتی نمونه های پودری و یا قطعات بسیار کوچک فلزی و غیرفلزی در اتمسفر هوا و یا گازهای خنثی کاربرد دارد.
• با استفاده از آنالیز حرارتی STA می توان حالت های کاتالیستی، واکنش های تجزیه، سرعت واکنش ها و یا پلیمریزاسیون مواد آلی را مورد مطالعه قرار داد.

نمودار تجزیه حرارتی کلسیم اگزالات مونوهیدرات حاصل از آنالیز STA

• پارامترهای مختلفی مانند تغییر جرم نمونه، دمای شیشه ای شدن، دمای تجزیه شیمیایی، آنتالپی، گرمای ویژه، نمودارهای فازی و غیره را می توان به کمک این تست به دست آورد.
• مشخصه یابی واکنش های ذوب، انجماد، تبخیر و تصعید توسط آنالیز STA امکانپذیر است.
• با کمک نتایج حاصل از آنالیز حرارتی همزمان می توان مقدار رطوبت، مواد فرار و خاکستر مواد مختلف را تعیین کرد.

مزایای آنالیز STA

• محدوده دمای کاری آناليز STA در مقایسه با سایر آنالیزهای حرارتی مانند TGA و DTA وسیع تر است. محدوده دمایی آنالیز STA ، 150 تا 2400 درجه سانتی گراد و محدوده دمای کاری آنالیزهای DTA و TGA، 150 تا 1700 درجه است.
• سرعت تغییرات دمایی دستگاه آناليز حرارتي STA بالا می باشد یعنی حدود 1000 درجه کلوین بر دقیقه است.
• تنوع دستگاه آنالیز STA از نظر جنس کوره، سنسورها و اتمسفر دستگاه بالا بوده و قابلیت تغییر دارد.
• آنالیز حرارتی هم زمان ، می تواند توابع سینتیکی تغییرات دمایی را با دقت بالایی مورد بررسی قرار دهد.

تجهیزات و آزمایشگاه آنالیز STA

• حساسیت دستگاه آنالیز STA از لحاظ اندازه گیری وزن نمونه در حدود نیم میکروگرم می باشد.
• یکی دیگر از مزایای مهم دستگاه آنالیز STA ، امکان ترکیب دمایی با استفاده از حسگر DSC یا DTA است. با این کار می توان تغییرات فیزیکی کالیبراسیون یک نمونه خالص را به عنوان تابعی از دما یا زمان اندازه گیری کرد.

معایب آنالیز حرارتی STA

• یکی از معایب این روش احتمال بروز خطا به دلیل پدیده شناوری است. از آن جایی جانمونه ای دستگاه در حالت TGA در محیط سیال گاز شناور است، نیروی ارشمیدسی از پایین به بالا به آن وارد می شود. نیروی ارشمیدسی تابع فشار، دما و جنس گاز است، به همین دلیل باید با شرایط گوناگون آزمایش، تصحیحات لازم برای کاهش این خطا انجام شود.
• یکی دیگر از معایب آنالیز STA این است که، در داخل کوره جریان همرفتی ایجاد شده و ارزش حرارتی جانمونه ای کاهش می یابد. برای حل این مسئله، مانعی مانند یک قطعه آلومینایی قرار می دهند و یا در بالای کوره گاز هلیوم عبور می دهند. این کار باعث می شود از شدت کاهش ارزش حرارتی جانمونه ای کاسته شود.

دستگاه آنالیز حرارتی همزمان مدل STA 449 F5

• برخی مواد در منطقه گرم کوره تصعید شده و در منطقه سرد آن رسوب می کنند.
• حساسیت ترموکوپل دستگاه آنالیز STA به مرور زمان کاهش می یابد.
• دستگاه آناليز حرارتي هم زمان نیاز به کالیبراسیون دوره ای دارد.

هزینه آنالیز STA

هزینه آنالیز STA بسته به اینکه دستگاه آنالیز حرارتی همزمان با چه نرخی حرارت دهی را انجام می دهد و محدوده دمایی لازم برای انجام تست چه محدوده ای باشد، متغیر است. هم چنین تعداد نمونه های شما برای انجام این تست، هزینه آنالیز STA را تغییر می دهد. به این معنی که هزینه آنالیز STA به ازای تعداد نمونه محاسبه می شود. تعرفه های تعیین شده برای هزینه آنالیز STA برای مراکز مختلف و برخی دانشگاه های انجام دهنده این تست، به سه صورت است. تعرفه آزاد، مخصوص کارکنان و دانشجویان آن مرکز یا دانشگاه و تعرفه دانشجویان و کارکنان سایر مراکزف سه قیمتی است که برای هزینه آنالیز STA تعریف می شود. البته برخی تخفیفات و گرنت ها برای دریافت خدمات آنالیز حرارتی STA و سایر خدمات آزمایشگاهی از سوی برخی شرکت ها به متقاضیان داده می شود.

خدمات آنالیز حرارتی STA

به طور کلی می توان گفت، تحویل گرفتن نمونه از مشتری، انجام آنالیز حرارتی همزمان و ارائه نتایج حاصل از آن به کاربر جزو خدمات آنالیز حرارتی STA می باشد. مراکز ارائه دهنده خدمات آنالیز حرارتی STA ، مانند برخی دانشگاه ها، موسسات پژوهشی و آزمایشگاه ها، نمونه موردنظر برای آنالیز STA را به صورت جامد تحویل می گیرند.

تصویر جانمونه ای دستگاه آنالیز حرارتی STA

 از دیگر خدمات آنالیز حرارتی STA ، می توان به رسم منحنی TG و DTA ، یافتن تغییرات جرم نمونه های پودری و فلزی از روی منحنی در دماهای مختلف، محاسبه مساحت زیر منحنی DTA و تعیین پیک ها، رسم منحنی آنالیز حرارتی شامل واکنش های گرمازا و گرماگیر اشاره کرد. مراکز ارائه دهنده خدمات آنالیز حرارتی STA ، به غیر از انجام این تست، آنالیز های دیگر مانند آنالیز xrd ، آنالیز XRF ، آنالیز SEM ، آنالیز TEM ، آنالیز XPS و غیره را نیز انجام می دهند.

مطالعه موردی

اگر بخواهیم به مثالی از کاربرد آنالیز حرارتی همزمان (STA) در حوزه پژوهشی و صنعتی اشاره کنیم، می توانیم مقاله ای از استلیوس و همکارانش را مثال بزنیم که در سال 2004 در ژورنال Energy & Fuels به چاپ رسیده است. از آن جایی که مطالعه رفتار ذوب و رهاسازی فاز گازی خاکستر حاصل از سوخت های زیست توده (Biomass Fuels) به منظور کاهش مشکلات مربوط به خاکستر دیگ های بخار از اهمیت بالایی برخوردار است، از ابزار آنالیز حرارتی STA برای توصیف رفتار چند نمونه خاکستر و چندین ترکیب مدل استفاده شد. این نمونه ها شامل K₂SO₄، KCl، SiO₂، CaCO₃، CaSO₄ و K₂CO₃ بودند. نتایج آنالیز STA اطلاعاتی را در مورد از دست دادن جرم و واکنش های گرمازا/گرماگیر به عنوان تابعی از دمای نمونه ارائه دادند.

شماتیک سیستم آنالیز STA مورد استفاده در این تحقیق

منحنی کاهش جرم خاکستر در طول آنالیز STA را می توان در بیشتر موارد از ترکیب شیمیایی خاکستر توضیح داد. در دمای زیر 800 درجه سانتی گراد، کاهش وزن به دلیل آزاد شدن CO₂ از CaCO₃ ایجاد می شود. در دمای 850 تا 1150 درجه، KCl تبخیر شده و K₂CO₃ با SiO₂ واکنش می دهد درنتیجه CO₂ آزاد می شود. در دمای بالاتر از 1150 درجه و تا 1450 درجه، کاهش وزن نمونه های خاکستر ممکن است به دلیل انتشار K₂O حاصل از تجزیه K₂CO₃ یا سیلیکات ها یا آزاد شدن از سولفات ها باشد. در شکل زیر بخشی از نتایج حاصل از این پژوهش را مشاهده می کنید:

نمودار آنالیز حرارتی همزمان KCl و K2CO3

به منظور مطالعه بیشتر در مورد این مقاله می توانید از طریق آدرس https://doi.org/10.1021/ef034065+ به آن دسترسی پیدا کنید.