Como os materiais respondem ao calor? Compreender as propriedades térmicas é fundamental para as aplicações de engenharia, influenciando tudo, desde a seleção de materiais até as previsões de desempenho. Este artigo explora vários métodos usados na análise térmica, como a análise termogravimétrica (TGA) e a calorimetria de varredura diferencial (DSC), e suas aplicações práticas. Os leitores obterão insights sobre como essas técnicas ajudam a prever o comportamento do material sob mudanças de temperatura, aumentando a confiabilidade e a segurança dos projetos 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 controle da temperatura programada (ou seja, taxa constante de aumento de temperatura, taxa constante de queda de temperatura, temperatura constante ou aumento de temperatura em etapas etc.), que é usada para estudar a alteração dos parâmetros físicos, como térmicos, mecânicos, acústicos, ópticos, elétricos, magnéticos etc. das substâncias em uma temperatura específica, ou seja, P=f (T).
A mudança de temperatura é projetada de acordo com uma determinada regra, ou seja, a temperatura de controle do programa: T=(t), portanto, sua propriedade é uma função da temperatura e do tempo: P=f (T, t).
Ele é amplamente usado para caracterizar as propriedades térmicas, físicas e mecânicas e a estabilidade dos materiais.
É de grande importância prática para a pesquisa e o desenvolvimento de materiais e o controle de qualidade na produção.
De acordo com a indução e a classificação da Associação Internacional de Análise Térmica (ICTA), os métodos atuais de análise térmica são divididos em nove categorias e dezessete tipos.
Os métodos de análise térmica comumente usados incluem a análise termogravimétrica (TG), a calorimetria diferencial de varredura (DSC), a análise estática e a análise de temperatura. termomecânico (TMA), análise termomecânica dinâmica (DMTA), análise dielétrica dinâmica (DETA), etc.
Eles têm a função de medir o peso do material, o calor, o tamanho, o módulo, a conformidade, a constante dielétrica e outros parâmetros de temperatura.
| Propriedade física | Nome da tecnologia de análise | abreviação | propriedade física | Nome da tecnologia de análise | abreviação |
| 1. Qualidade | 1) Termogravimetria | TG | 3. Entalpia | 9) Calorimetria de varredura diferencial | DSC |
| 2) Medição de mudança de massa isobárica | 4. Dimensões | 10) Método de expansão térmica | |||
| 3) Detecção de escape de gás | EGD | 5. Propriedades mecânicas | 11) Análise termomecânica | TMA | |
| 4) Análise de gases de escape | EGA | 12) Análise termomecânica dinâmica | DMA | ||
| 5) Análise radiotérmica | 6. Características acústicas | 13) Método termoacústico | |||
| 6) Análise de partículas térmicas | 14) Método termoacústico | ||||
| 2. Temperatura | 7) Determinação da curva de aquecimento | 7. Características ópticas | 15) Método termo-óptico | ||
| 8) Análise térmica diferencial | DTA | 8. Características elétricas | 16) Método de 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 controle da temperatura programada.
Escopo de aplicação:
(1) São estudadas principalmente as mudanças químicas, como estabilidade térmica, decomposição térmica e degradação oxidativa de materiais em gás inerte, ar e oxigênio;
(2) Todos os processos físicos que envolvem mudança de massa são estudados, como a determinação de umidade, matéria volátil e resíduo, absorção e dessorção, taxa de gaseificação e calor de gaseificação, taxa de sublimação e calor de sublimação, composição do polímero ou mistura com carga, etc.
Explicação do princípio:
A curva termogravimétrica (curva TG) é obtida pela plotagem da fração de peso da amostra w em relação à temperatura T ou ao 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 relação à temperatura ou ao tempo, dw/dT ou dw/dt, é chamada de curva termogravimétrica diferencial (curva DTG).
Na Fig. 2, a alteração cumulativa de peso em Ti no ponto B atinge o limite inferior de detecção do termobalanço, que é chamado de temperatura inicial da reação;
A mudança de peso no ponto C Tf não pode ser detectado, o que é chamado de temperatura final da reação;
Ti ou Tf também pode ser determinado por extrapolação, que é dividida em ponto G e ponto H;
A temperatura em que a perda de peso atinge um valor predeterminado (5%, 10%, etc.) também pode 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 mudança de peso da amostra.
Aplicação prática:
A termogravimetria se tornou um método importante para estudar o processo de mudança térmica de 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 usada para analisar os componentes da mistura.
A figura mostra que, quando aquecido em N2O componente acetal se decompõe (cerca de 80%) a 300~350 ℃, e o PTFE começa a se decompor (cerca de 20%) a 550 ℃.
Fatores de influência:
(a) Taxa de aquecimento:
Quanto mais rápida for a elevação da temperatura, maior será a defasagem da temperatura e maior será o Ti e Tfe quanto maior a faixa de temperatura da reação.
Sugere-se que a amostra de polímero seja de 10K/min e a amostra inorgânica e de metal seja de 10-20K/min;
(b) Tamanho da partícula e dosagem da amostra:
O tamanho da partícula da amostra não deve ser muito grande e a compactação do enchimento deve ser moderada.
Para o mesmo lote de amostras de teste, o tamanho da partícula e a estanqueidade da embalagem de cada amostra devem ser consistentes;
(c) Atmosfera:
As atmosferas comuns incluem 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 o formato do prato de amostra.
(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 sem vibração, medindo principalmente o coeficiente de expansão e a temperatura de transição de fase dos materiais.
Escopo de aplicação:
Aplicação prática:
(a) Pesquisa sobre fibras e filmes:
Ele pode medir o alongamento, o desempenho de contração, o módulo e a temperatura correspondente, a análise de tensão e deformação e a análise de tensão sob condições de congelamento e aquecimento;
(b) Caracterização de materiais compostos:
Além do estudo da fibra com TMA, o reforço de materiais compostos, a temperatura de transição vítrea TgO tempo de gel e a fluidez da resina, o coeficiente de expansão térmica e outras propriedades, bem como a estabilidade dimensional e a estabilidade em alta temperatura de materiais compostos multicamadas, podem ser rapidamente medidos e estudados com o TMA;
(c) Pesquisa sobre revestimentos:
É possível saber se o revestimento é compatível com o substrato e com a faixa de temperatura correspondente;
(d) Pesquisa sobre borracha:
É possível saber se a borracha ainda tem elasticidade e se o tamanho é estável em um ambiente de uso severo.
Fatores de influência:
(a) Taxa de aquecimento:
A distribuição de temperatura da amostra é desigual quando a taxa de aquecimento é muito rápida;
(b) Histórico térmico da amostra;
(c) Defeitos da amostra:
Porosidade, distribuição desigual do preenchimento, rachaduras, etc;
(d) Pressão aplicada pela sonda:
0,001 a 0,1N é geralmente recomendado;
(e) Alteração química da amostra;
(f) Vibração externa;
(g) Calibração:
Calibração da sonda, temperatura, pressão, constante do forno, etc;
(h) Atmosfera;
(i) Forma da amostra
Se as superfícies superior e inferior são aplicadas em paralelo.
(3) Calorimetria diferencial de varredura (DSC)
Explicação do princípio:
A calorimetria de varredura diferencial (DSC) é uma tecnologia para medir a relação entre a diferença de potência entre o material e o material de referência e a temperatura sob a temperatura de controle do programa.
Há dois tipos de calorimetria de varredura diferencial: tipo de compensação e tipo de fluxo de calor.
Dois grupos de fios de aquecimento de compensação são instalados sob os contêineres do objeto de referência e da amostra.
Quando a diferença de temperatura ΔT entre a amostra e o objeto de referência ocorrer devido ao efeito térmico durante o processo de aquecimento, a corrente que flui para o fio de aquecimento de compensação mudará por meio 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 em um lado da amostra;
Ao contrário, quando a amostra é exotérmica, a corrente em um lado do material de referência aumentará até que o calor em ambos os lados seja equilibrado e a diferença de temperatura ΔT desapareça.
Na calorimetria de varredura diferencial, a curva de relação entre o calor aplicado e a temperatura necessária para manter a diferença de temperatura entre a amostra e a referência em 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 mudança de entalpia. Uma curva DSC típica é mostrada na Fig. 4.
Escopo de aplicação:
(1) Determinação da temperatura da reação de cura e do efeito térmico dos materiais, como calor de reação, taxa de reação, etc;
(2) Determinação de parâmetros termodinâmicos e cinéticos de substâncias, como capacidade térmica específica, calor de transformação, etc;
(3) Determinação da cristalização, da temperatura de fusão e do efeito térmico dos materiais;
(4) Pureza da amostra, etc.
Fatores de influência:
(a) Taxa de aquecimento:
Os resultados reais do teste mostram que uma taxa de aquecimento muito alta causará uma distribuição desigual da temperatura na amostra, e o corpo do forno e a amostra também produzirão desequilíbrio térmico, de modo que a influência da taxa de aquecimento é muito complexa.
(b) Atmosfera:
Gases diferentes têm condutividade térmica diferente, o que afetará a resistência térmica entre a parede do forno e a amostra e afetará o pico de temperatura e a entalpia.
(c) Dosagem da amostra:
Não muito, para evitar a expansão do formato do pico e a redução da resolução devido à lenta transferência interna de calor e ao grande gradiente de temperatura.
(d) Tamanho da partícula da amostra:
Quando o tamanho da partícula do pó é diferente, devido à influência da transferência e difusão de calor, haverá diferenças nos resultados do teste.
(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 o controle de uma tensão mecânica periódica (senoidal).
Escopo de aplicação:
O analisador termomecânico dinâmico é usado 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 de tensão etc. de materiais inorgânicos, materiais metálicosmateriais compostos e materiais poliméricos (plásticos, borracha, etc.).
Princípio básico do DMA:
O DMA caracteriza as propriedades dos materiais por meio 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 senoidal de amplitude variável for aplicada à amostra, será gerada uma deformação senoidal de amplitude pré-selecionada, e a deformação nas amostras viscoelásticas ficará atrás de um determinado ângulo de fase δ, conforme mostrado 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, refletindo 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 na forma de calor em cada semana, refletindo 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 máxima de armazenamento elástico é igual ao módulo de perda E "e ao módulo de armazenamento E'do material.
O DMA adota a varredura de aumento de temperatura, desde a temperatura ambiente auxiliar até a temperatura de fusão, o tanδ mostra uma série de picos, e cada pico corresponde 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 pelo DMA em função da temperatura, da frequência ou do tempo.
Ele não apenas fornece propriedades mecânicas em uma ampla faixa de temperatura e frequência, mas também pode detectar a transição vítrea, a transição de baixa temperatura e o processo de relaxamento secundário dos materiais.
Por exemplo, o pico de perda pode representar a transição de determinado movimento de unidade.
A Fig. 6 mostra a curva de poliestireno tg mudando com a temperatura, de onde se pode inferir que o pico pode ser o movimento do fenil ao redor da cadeia principal;
O pico é o movimento do benzeno em torno da ligação que conecta a cadeia principal.
Fatores de influência: taxa de aquecimento, espessura da amostra, presença ou ausência de revestimento metálico, tipo de fixação, etc.
(5) Análise dielétrica dinâmica (DETA)
A análise dielétrica dinâmica é uma tecnologia para testar a alteração das propriedades dielétricas 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 dielétrica:
Os dielétricos com dipolos serão direcionalmente dispostos com o campo elétrico externo sob a ação do campo elétrico externo.
A polarização do dipolo está relacionada à temperatura e é acompanhada pelo consumo de energia.
Em geral, a constante dielétrica (ε) representa o grau de polarização do dielétrico sob o campo elétrico externo, enquanto a perda dielétrica (D) representa a perda de energia causada pelo aquecimento da polarização sob o campo elétrico externo.
O arranjo direcional dos dipolos sob a ação do campo elétrico externo também se recuperará para o estado desordenado com a remoção do campo elétrico externo.
O tempo necessário para que o dipolo se recupere do arranjo regular para o arranjo aleatório é chamado de "tempo de relaxamento dielétrico 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 ao tamanho e à forma das moléculas e à viscosidade do meio. E
Onde: tgδ é a tangente do ângulo de perda, e ε0 é a constante dielétrica sob campo eletrostático; ε∞ é a constante dielétrica na frequência óptica.
Pode-se observar que ε e tgδ são quantidades físicas relacionadas ao tempo de relaxamento τ e, portanto, relacionadas à estrutura molecular, ao tamanho e à viscosidade média, que é a base para o uso das propriedades dielétricas para estudar a estrutura molecular das substâncias.
É possível provar, com base nas duas equações acima, que quando:
Quando ε 'tem um valor máximo, f0 é chamado de "frequência de polarização".
Ou seja, quando a frequência do campo elétrico externo é a frequência de polarização, a perda dielétrica é muito grande.
Escopo de aplicação:
Essa técnica tem sido amplamente usada para estudar a estrutura molecular, o grau de polimerização e o mecanismo de polímero de materiais dielétricos.
Em termos de objetos de aplicação, há resinas termoplásticas e termofixas, como éster metílico de poliacrilato, cloreto de polivinila, poliamida, poliimida, poliestireno, fenol formaldeído, epóxi e cera.
Além disso, há o polifenil bordo e o polibenzimidazol em resinas resistentes a altas temperaturas e proteínas em compostos biológicos.
Suas aplicações específicas também incluem plásticos reforçados, materiais de moldagem, revestimentos, adesivos, borracha, vidro, cerâmica e outros óxidos metálicos.
No laboratório, o DETA pode ser usado como uma ferramenta poderosa para pesquisas viscoelásticas, como propriedades mecânicas dinâmicas e testes de propriedades mecânicas térmicas.
Na produção industrial, ele pode ser usado na fabricação de resinas, no controle de qualidade, na pré-cura e no controle do grau de cura.
Como fundador do MachineMFG, dediquei mais de uma década de minha carreira ao setor de metalurgia. Minha vasta experiência permitiu que eu me tornasse um especialista nas áreas de fabricação de chapas metálicas, usinagem, engenharia mecânica e máquinas-ferramentas para metais. Estou sempre pensando, lendo e escrevendo sobre esses assuntos, esforçando-me constantemente para permanecer na vanguarda do meu campo. Permita que meu conhecimento e experiência sejam um trunfo para sua empresa.
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