Como é que os materiais reagem ao calor? A compreensão das propriedades térmicas é crucial para as aplicações de engenharia, influenciando tudo, desde a seleção de materiais até às previsões de desempenho. Este artigo explora vários métodos utilizados na análise térmica, como a análise termogravimétrica (TGA) e a calorimetria de varrimento diferencial (DSC), e as suas aplicações práticas. Os leitores ficarão a saber como estas técnicas ajudam a prever o comportamento dos materiais sob alterações de temperatura, aumentando a fiabilidade e a segurança dos projectos de engenharia.
A essência da análise térmica é a análise da temperatura.
A tecnologia de análise térmica consiste em medir a alteração das propriedades físicas das substâncias com a temperatura sob o controlo da temperatura programada (ou seja, taxa constante de subida de temperatura, taxa constante de descida de temperatura, temperatura constante ou subida de temperatura escalonada, etc.), que é utilizada para estudar a alteração de parâmetros físicos, tais como térmicos, mecânicos, acústicos, ópticos, eléctricos, magnéticos, etc. de substâncias a uma temperatura específica, nomeadamente P=f (T).
A mudança de temperatura é concebida de acordo com uma determinada regra, ou seja, a temperatura de controlo do programa: T=(t), pelo que a sua propriedade é simultaneamente uma função da temperatura e do tempo: P=f (T, t).
É amplamente utilizado para caraterizar as propriedades térmicas, físicas e mecânicas e a estabilidade dos materiais.
É de grande importância prática para a investigação e desenvolvimento de materiais e para o controlo de qualidade na produção.
De acordo com a indução e classificação da Associação Internacional de Análise Térmica (ICTA), os actuais métodos de análise térmica estão divididos em nove categorias e dezassete tipos.
Os métodos de análise térmica normalmente utilizados incluem a análise termogravimétrica (TG), a calorimetria diferencial de varrimento (DSC), a análise estática termomecânico (TMA), a análise termomecânica dinâmica (DMTA), a análise dieléctrica dinâmica (DETA), etc.
Têm a função de medir o peso do material, o calor, o tamanho, o módulo, a conformidade, a constante dieléctrica e outros parâmetros da temperatura.
| Propriedade física | Nome da tecnologia de análise | abreviatura | propriedade física | Nome da tecnologia de análise | abreviatura |
| 1. Qualidade | 1) Termogravimetria | TG | 3. Entalpia | 9) Calorimetria diferencial de varrimento | DSC |
| 2) Medição isobárica da variação de massa | 4. Dimensões | 10) Método de expansão térmica | |||
| 3) Deteção de fugas de gás | EGD | 5. Propriedades mecânicas | 11) Análise termomecânica | TMA | |
| 4) Análise dos gases de escape | AGA | 12) Análise Termomecânica Dinâmica | DMA | ||
| 5) Análise radiotérmica | 6. Características acústicas | 13) Método termoacústico | |||
| 6) Análise térmica de partículas | 14) Método termoacústico | ||||
| 2. Temperatura | 7) Determinação da curva de aquecimento | 7. Características ópticas | 15) Método termo-ótico | ||
| 8) Análise térmica diferencial | DTA | 8. Características eléctricas | 16) Método da termoeletricidade | ||
| 9. Características magnéticas | 17) Método termomagnético |
(1) Análise termogravimétrica (TG)
A termogravimetria (TG) é uma técnica para medir a alteração da massa da amostra com a temperatura ou o tempo, sob o controlo de uma temperatura programada.
Âmbito de aplicação:
(1) São estudadas principalmente as alterações químicas como a estabilidade térmica, a decomposição térmica e a degradação oxidativa de materiais em gás inerte, ar e oxigénio;
(2) São estudados todos os processos físicos que envolvem alterações de massa, tais como a determinação da humidade, das matérias voláteis e dos resíduos, a absorção e a dessorção, a taxa de gaseificação e o calor de gaseificação, a taxa de sublimação e o calor de sublimação, a composição do polímero ou da mistura com carga, etc.
Explicação do princípio:
A curva termogravimétrica (curva TG) é obtida através da representação gráfica da fração mássica da amostra w em função da temperatura T ou do tempo t: w=f (T ou t).
Como a maior parte do aumento de temperatura é linear, T e t têm apenas uma constante de diferença.
A primeira derivada da curva TG em função da temperatura ou do tempo, dw/dT ou dw/dt, é designada por curva termogravimétrica diferencial (curva DTG).
Na Fig. 2, a variação de peso acumulada em Ti no ponto B atinge o limite inferior de deteção do termobalanço, que é designado por temperatura inicial da reação;
A variação de peso no ponto C Tf não pode ser detectada, o que se designa por temperatura de fim de reação;
Ti ou Tf também pode ser determinado por extrapolação, que se divide em ponto G e ponto H;
A temperatura em que a perda de peso atinge um valor pré-determinado (5%, 10%, etc.) pode também ser considerada como Ti.
Tp representa a temperatura máxima da taxa de perda de peso, correspondente à temperatura de pico da curva DTG.
A área do pico é proporcional à variação de peso da amostra.
Aplicação prática:
A termogravimetria tornou-se um método importante para estudar o processo de mudança térmica dos polímeros devido à sua rapidez e simplicidade.
Por exemplo, a curva TG da mistura de PTFE e copolímero de acetal na Fig. 3 pode ser utilizada para analisar os componentes da mistura.
A partir da figura, verifica-se que, quando aquecido em N2o componente acetal decompõe-se (cerca de 80%) a 300~350 ℃, e o PTFE começa a decompor-se (cerca de 20%) a 550 ℃.
Factores de influência:
(a) Taxa de aquecimento:
Quanto mais rápida for a subida de temperatura, maior será o desfasamento de temperatura, mais elevado será o Ti e Tfe quanto maior for a gama de temperaturas de reação.
Sugere-se que a amostra de polímero seja de 10K/min, a amostra inorgânica e metálica seja de 10-20K/min;
(b) Tamanho das partículas e dosagem da amostra:
A dimensão das partículas da amostra não deve ser demasiado grande e a compacidade do enchimento deve ser moderada.
Para o mesmo lote de amostras de ensaio, a dimensão das partículas e a estanquidade da embalagem de cada amostra devem ser consistentes;
(c) Atmosfera:
As atmosferas comuns incluem o ar, O2, N2, He, H2, CO2, Cl2 e vapor de água.
O mecanismo de reação é diferente em diferentes atmosferas. Quando a atmosfera reage com a amostra, a forma da curva TG é afetada;
(d) O material e a forma da cápsula de recolha de amostras.
(2) Análise termomecânica estática (TMA)
A análise termomecânica é uma técnica para medir a relação funcional entre a deformação dos materiais e o tempo de temperatura sob a ação da temperatura programada e da carga não vibratória, medindo principalmente o coeficiente de expansão e a temperatura de transição de fase dos materiais.
Âmbito de aplicação:
Aplicação prática:
(a) Investigação sobre fibras e películas:
Pode medir o alongamento, o desempenho de retração, o módulo e a temperatura correspondente, a análise da tensão de deformação e a análise da tensão em condições de congelamento e aquecimento;
(b) Caracterização de materiais compósitos:
Para além do estudo da fibra com TMA, o reforço de materiais compósitos, a temperatura de transição vítrea TgO tempo de gelificação e a fluidez da resina, o coeficiente de expansão térmica e outras propriedades, bem como a estabilidade dimensional e a estabilidade a altas temperaturas dos materiais compósitos multicamadas podem ser rapidamente medidos e estudados com a TMA;
(c) Investigação sobre revestimentos:
É possível saber se o revestimento corresponde ao substrato e à gama de temperaturas correspondente;
(d) Investigação sobre a borracha:
É possível saber se a borracha ainda tem elasticidade e se o tamanho é estável num ambiente de utilização difícil.
Factores de influência:
(a) Taxa de aquecimento:
A distribuição da temperatura da amostra é desigual quando a taxa de aquecimento é demasiado rápida;
(b) Historial térmico da amostra;
(c) Defeitos da amostra:
Porosidade, distribuição irregular do material de enchimento, fissuração, etc;
(d) Pressão aplicada pela sonda:
0,001~0,1N é geralmente recomendado;
(e) Alteração química da amostra;
(f) Vibrações externas;
(g) Calibração:
Calibração da sonda, da temperatura, da pressão, da constante do forno, etc;
(h) Atmosfera;
(i) Forma da amostra
Se as superfícies superior e inferior são aplicadas em paralelo.
(3) Calorimetria diferencial de varrimento (DSC)
Explicação do princípio:
A calorimetria diferencial de varrimento (DSC) é uma tecnologia que mede a relação entre a diferença de potência entre o material e o material de referência e a temperatura sob a temperatura de controlo do programa.
Existem dois tipos de calorimetria diferencial de varrimento: tipo de compensação e tipo de fluxo de calor.
Dois grupos de fios de aquecimento de compensação são instalados sob os recipientes da amostra e do objeto de referência.
Quando a diferença de temperatura ΔT entre a amostra e o objeto de referência ocorre devido ao efeito térmico durante o processo de aquecimento, a corrente que flui para o fio de aquecimento de compensação muda através do circuito do amplificador térmico diferencial e do amplificador de compensação térmica diferencial.
Quando a amostra absorve calor, o amplificador de compensação aumenta imediatamente a corrente num dos lados da amostra;
Pelo contrário, quando a amostra é exotérmica, a corrente num dos lados do material de referência aumentará até que o calor em ambos os lados seja equilibrado e a diferença de temperatura ΔT desapareça.
Na calorimetria diferencial de varrimento, a curva de relação entre o calor aplicado e a temperatura necessária para manter a diferença de temperatura entre a amostra e a referência a zero por unidade de tempo é uma curva DSC.
O eixo vertical da curva é a quantidade de aquecimento por unidade de tempo, e o eixo horizontal é a temperatura ou o tempo.
A área da curva é proporcional à variação da entalpia. Uma curva DSC típica é apresentada na Fig. 4.
Âmbito de aplicação:
(1) Determinação da temperatura da reação de cura e do efeito térmico dos materiais, como o calor de reação, a taxa de reação, etc;
(2) Determinação dos parâmetros termodinâmicos e cinéticos das substâncias, tais como a capacidade térmica específica, o calor de transformação, etc;
(3) Determinação da cristalização, da temperatura de fusão e do efeito térmico dos materiais;
(4) Pureza da amostra, etc.
Factores de influência:
(a) Taxa de aquecimento:
Os resultados reais dos ensaios mostram que uma taxa de aquecimento demasiado elevada provocará uma distribuição desigual da temperatura na amostra, e o corpo do forno e a amostra também produzirão um desequilíbrio térmico, pelo que a influência da taxa de aquecimento é muito complexa.
(b) Atmosfera:
Diferentes gases têm diferentes condutividades térmicas, o que afectará a resistência térmica entre a parede do forno e a amostra e afectará o pico de temperatura e a entalpia.
(c) Dosagem da amostra:
Não demasiado, de modo a evitar a expansão da forma do pico e a redução da resolução devido à lenta transferência interna de calor e ao grande gradiente de temperatura.
(d) Tamanho das partículas da amostra:
Quando a dimensão das partículas de pó é diferente, devido à influência da transferência de calor e da difusão, haverá diferenças nos resultados dos ensaios.
(4) Análise termomecânica dinâmica (DMA)
A análise termomecânica dinâmica mede a relação entre as propriedades mecânicas dos materiais viscoelásticos e o tempo, a temperatura ou a frequência.
A amostra é deformada sob a ação e controlo de uma tensão mecânica periódica (sinusoidal).
Âmbito de aplicação:
O analisador termomecânico dinâmico é utilizado principalmente para testar a temperatura de transição vítrea, a temperatura de deformação térmica da carga, a fluência, o módulo de armazenamento (rigidez), o módulo de perda (desempenho de amortecimento), o relaxamento da tensão, etc. de materiais inorgânicos, materiais metálicosmateriais compósitos e materiais poliméricos (plásticos, borracha, etc.).
Princípio básico do DMA:
O DMA caracteriza as propriedades dos materiais através do estado do movimento molecular.
O movimento molecular e o estado físico determinam o módulo dinâmico (rigidez) e o amortecimento (a energia perdida pela amostra em vibração).
Quando uma tensão alternada sinusoidal de amplitude variável é aplicada à amostra, será gerada uma deformação sinusoidal de amplitude pré-selecionada, e a deformação nas amostras viscoelásticas ficará atrás de um determinado ângulo de fase δ, como se mostra na Fig. 5.
A tecnologia DMA divide a viscoelasticidade dos materiais em dois módulos:
Módulo de armazenamento E':
E' está em proporção direta com a elasticidade máxima da amostra armazenada em cada semana, reflectindo os componentes elásticos na viscoelasticidade do material e caracterizando a rigidez do material;
O módulo de perda E ":
E" está em proporção direta com a energia consumida pela amostra sob a forma de calor em cada semana, reflectindo a parte viscosa da viscoelasticidade do material e representando o amortecimento do material.
O amortecimento do material também se torna o atrito interno, expresso como tanδ, e a razão entre a energia perdida pelo material no período semanal e a energia elástica máxima de armazenamento é igual ao módulo de perda E "e ao módulo de armazenamento E 'do material.
O DMA adopta a varredura do aumento de temperatura, desde a temperatura ambiente auxiliar até à temperatura de fusão, tanδ mostra uma série de picos, e cada pico corresponderá a um processo de relaxamento específico.
O ângulo de fase tanδ, o módulo de perda E "e o módulo de armazenamento E 'podem ser medidos por DMA em função da temperatura, da frequência ou do tempo.
Não só fornece propriedades mecânicas numa vasta gama de temperaturas e frequências, como também pode detetar a transição vítrea, a transição a baixa temperatura e o processo de relaxamento secundário dos materiais.
Por exemplo, o pico de perda pode representar a transição de um determinado movimento unitário.
A Fig. 6 mostra a curva do poliestireno tg que varia com a temperatura, pelo que se pode deduzir que o pico pode ser o movimento do fenilo em torno da cadeia principal;
O pico é o movimento do benzeno em torno da ligação que une a cadeia principal.
Factores de influência: taxa de aquecimento, espessura da amostra, presença ou ausência de revestimento metálico, tipo de fixação, etc.
(5) Análise dieléctrica dinâmica (DETA)
A análise dieléctrica dinâmica é uma tecnologia para testar a alteração das propriedades dieléctricas dos materiais com a temperatura quando os materiais são aquecidos por um determinado programa de temperatura controlada sob um campo elétrico alternado de uma determinada frequência.
Princípio da análise dieléctrica:
Os dieléctricos com dipolos serão direccionalmente dispostos com o campo elétrico externo sob a ação do campo elétrico externo.
A polarização do dipolo está relacionada com a temperatura e é acompanhada pelo consumo de energia.
Geralmente, a constante dieléctrica (ε) representa o grau de polarização do dielétrico sob o campo elétrico externo, enquanto a perda dieléctrica (D) representa a perda de energia causada pelo aquecimento da polarização sob o campo elétrico externo.
A disposição direcional dos dipolos sob a ação do campo elétrico externo também recupera o estado desordenado com a remoção do campo elétrico externo.
O tempo necessário para que o dipolo recupere da disposição regular para a disposição aleatória é designado por "tempo de relaxação dieléctrica T", de acordo com a teoria de Debye:
η é a viscosidade do meio, a é o raio molecular, K é a constante de Boltzmann e T é a temperatura K.
O tempo de relaxamento está relacionado com o tamanho e a forma das moléculas e com a viscosidade do meio. E
Onde: tgδ é a tangente do ângulo de perda, e ε0 é a constante dieléctrica sob campo eletrostático; ε∞ é a constante dieléctrica à frequência ótica.
Verifica-se que ε e tgδ são grandezas físicas relacionadas com o tempo de relaxação τ e, por conseguinte, com a estrutura molecular, o tamanho e a viscosidade do meio, o que constitui a base da utilização das propriedades dieléctricas para estudar a estrutura molecular das substâncias.
Pode provar-se, a partir das duas equações anteriores, que quando:
Quando, ε 'tem um valor máximo, f0 é designada por "frequência de polarização".
Ou seja, quando a frequência do campo elétrico externo é a frequência de polarização, a perda dieléctrica é muito grande.
Âmbito de aplicação:
Esta técnica tem sido amplamente utilizada para estudar a estrutura molecular, o grau de polimerização e o mecanismo de polimerização de materiais dieléctricos.
Em termos de objectos de aplicação, existem resinas termoplásticas e termoendurecíveis, tais como éster metílico de poliacrilato, cloreto de polivinilo, poliamida, poliimida, poliestireno, fenol formaldeído, epóxi e cera.
Além disso, existem o polifenil bordo e o polibenzimidazol em resinas resistentes a altas temperaturas e proteínas em compostos biológicos.
As suas aplicações específicas incluem também plásticos reforçados, materiais de moldagem, revestimentos, adesivos, borracha, vidro, cerâmica e outros óxidos metálicos.
No laboratório, o DETA pode ser utilizado como uma ferramenta poderosa para a investigação viscoelástica, tal como o ensaio das propriedades mecânicas dinâmicas e das propriedades termo-mecânicas.
Na produção industrial, pode ser utilizado no fabrico de resinas, no controlo de qualidade, na pré-cura e no controlo do grau de cura.
Como fundador da MachineMFG, dediquei mais de uma década da minha carreira à indústria metalúrgica. A minha vasta experiência permitiu-me tornar-me um especialista nos domínios do fabrico de chapas metálicas, maquinagem, engenharia mecânica e máquinas-ferramentas para metais. Estou constantemente a pensar, a ler e a escrever sobre estes assuntos, esforçando-me constantemente por me manter na vanguarda da minha área. Deixe que os meus conhecimentos e experiência sejam uma mais-valia para a sua empresa.
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