TGA 열중량 분석기

1.TGA 열중량 분석기의 기본 구성

열중량 분석기는(TGA) 특정 온도와 대기 가스 제어 하에서 재료 샘플을 가열하거나 냉각할 때(참고 ;일반적인 경우 가열), 시간 또는 온도의 함수로 재료 샘플의 질량 손실 또는 증가를 측정합니다. 이는 일반적인 TGA 장비(또는 열천칭)가 천칭, 온도 제어 기능이 있는 전기로(=Furnace) 및 대기 가스 제어 시스템을 기반으로 하는 것을 의미합니다

열중량 분석기(TGA)의 기본적인 구조는  1.고감도 분석 전자저울/2.전기로/3.PC와 제어분석 소프트웨어로 구성 되고, 상위 버전의 경우, 최대 2,400도씨 가열, TGA+DSC /TGA+DTA 복합기기, 마이크로 정밀 3D DSC센서, 가스 분석기(FTIR/MS/GC), 습기공급, 압력제어,진공제어 등 다양한 옵션이 제공 됩니다.

2.TGA의 분석 요소

TGA을 통해 얻어진 측정 결과는 아래와 같은 정보를 제공합니다.

–시료가 무게를 잃은 온도를 측정 가능하며, 이를 바탕으로 서로 다른 물질(예:고분자와 다양한 소재, 액체 기체 등) 을 구분

–무게변화가 없는 온도를 측정하여 그 물질의 안정성을 판단

–시료를 특정 온도까지 가열했을 때, 감소한 무게를 측정하여 화합물의 구성과 분해에 수반된 반응을 추정

 TGA(thermogravimetric Analysis)를 사용하는 가장 큰 이유는 성분 시료의 조성분석과 분해 과정을 알아내기 위함 입니다.

–물질에 따라 고유한 분해 온도가 존재합니다. (PVC, PMMA, LDPE, PI, PTFE 등등)

–그렇기때문에 미지 시료의 TGA 분석을 통해 어떤 물질인지 정성 분석이 가능합니다.

–또한 혼합물질의 TGA 분석 그래프를 통해 어떤 물질이 함유되어 있는지도 확인할 수 있습니다.

–예를 들어 TGA는 탄소 재료 연구의 핵심 분석 방법 중 하나 입니다. 탄소는 일반적으로 100℃도 부근에서 제작되기 때문에 TGA를 질소 분위기에서 1000℃까지 상승시켜 얼마만큼의 수율을 가질 수 있는지 확인할 수 있습니다.

dTG 곡선 : (derivative thermo gravity) 열중량 미분 곡선으로 TGA 곡선을 미분한 값인데 열중량의 변화율울 의미 합니다. 고분해능처럼 중첩 되거나, 반응이 작은 구간의 변화를 쉽게 찾을 수 있습니다. Peak Point는 열분해의 최대 분해 속도를 의미하는 온도 입니다.

분석 요소를 다시 정리 하면은 아래와 같습니다.

1. 시료의 조성에 따른 질량변화(changes in mass) 측정
2. 물질의 열안정성 (=thermal stability of materials)
3. 열분해 (=pyrolysis)
4. 연소 (=Combustion)
5. 흡착/탈착 (=adsorption / desorption)
6. 용매 손실 (=loss of solvent )
7. 산화/환원 (=oxidation / reduction)
8. 부식 (=corrosion)
9. 수화/탈수 (hydration / dehydration)
10. 분해 등 (=decomposition, etc)
11. 산화안정성 (Oxidative degradation, oxidation stability)
12. 조성 성분 분석 (Compositional analysis: volatiles, polymer, glass fibers, carbon black, fillers, ash)
13. 수분의 증발 (Evaporation of Water)

세타람사의 (SETARAM) 표준버전 모델 세트라인 TGA (=Setline TGA ), TGA 열중량 분석기

특징 ; 스위스 소재 연구소에서 설계 디자인한 제품 임에도 가격이 경제적 입니다.

1. 온도제어 범위 : Ambient to 1,100°C

2. 가장 안정적인 방식의 Vertical Hang-Down Balance 타입( 수직형 샘플이 매달린 저울 형태)으로 초정밀 전자저울 시스템 적용. 측정 샘플은 얇은 서스펜션을 사용하여 무게 측정 저울 모듈에서 샘플을 하단에 서스펜션 줄 아래에 매답니다. 이러한 저울은 매우 안정적일 뿐만 아니라, Furnace(전기로) 내부에 가열된 가스와 공기의 대류에 의한 Buoyancy(부력 효과)라고도 하는 온도에 따른 질량 변동 신호의 나쁜 Drift(드리프트=측정수치의 변동)를 최소화합니다.

=>세트라인 TGA VS 경쟁사 TGA – 경쟁 차이 ;

SETARAM의 부가 가치는 당사 저울이 처음부터 열 분석 기기용으로만 설계되었다는 것입니다. 다양한 경쟁업체와 달리 당사는 단순히 상업적으로 이용 가능한 실험실 저울을 전기로가 있는 구조에 통합하지 않았습니다.

모든 SETARAM 계측 저울은 최고의 정확성과 안정성 기준을 충족합니다.

TGA 분야에서는 수평 열천칭이 신뢰성이 떨어지는 것으로 간주됩니다. 상단 로딩 수직 열천칭은 더 정확한 결과를 제공하고, 행다운 수직 열천칭은 최고의 성능을 제공합니다. SETARAM 제품군에는 탑 로딩 및 행다운 수직 TGA 기기가 모두 포함됩니다.

3. Setline TGA는 모델 Setiline STA에서도 사용하는 견고한 전기로를 사용하고, 금속 저항기는 샘플을 설정점까지 빠르고 안정적으로 가열하고, 퍼니스 용광로는 설정된 가열 속도 또는 온도에서

작동하도록 프로그래밍 할 수 있습니다. 열 관성이 매우 낮게 설계된 소형 전기로 내부에 Crucible(도가니)의 고정밀 가열과 제어가 보장 됩니다.

4. 냉각시스템은 수냉식 회로를 옵션으로 선택하여 원활한 온도 제어와 전기로의 외부 온도를 안전한 한계 내로 유지하는 데 사용됩니다. TGA는 영하로 떨어뜨리는 냉각시험용 냉각 시스템이 일반적으로는 없습니다. 단지 실내온도까지 냉각 시키는 용도 입니다.

5. 도가니(Crucibles)의 선택은 ; 시험온도와, 시험샘플 소재에 따라 선택 합니다. 일반적으로 고품질의 샘플홀더인 알루미늄, 알루미나 또는 백금 도가니를 제공 합니다. 용량 범위는 130~250µL 입니다.

–알루미늄 도가니는 500℃ 아래 일반 표준 시험. 재사용 불가

–알루미나 세라믹 도가니는 500°C 를 초과 하거나, 알루미늄과 반응하는 샘플소재의 경우. 재사용 가능

–플래티늄(백금) 도가니의 경우 500°C를 초과하거나, 알루미늄 알루미나와 반응하는 샘플 소재의 경우 선택 합니다. 재사용 가능

6. 용광로 바닥에 위치한 열전쌍으로 온도 제어 가능.

7. 소프트웨어 ; Calisto(칼리스토) 운영 분석 소프트웨어에는, 옵션에 따라 고객이 요청한 100개 이상의 기능이 포함 되어 있으며, 열 분석 분야에서 가장 강력하고 유연하며 직관적인 데이터 처리 소프트웨어 입니다.

8. 타업체의 TGA에 옵션으로 되어 있거나 없는, 온도 교정용 전자석을 TGA 내부에 내장하여, 측정 샘플 온도에 대한 캘리브레이션 교정 작업을 합니다. (ASTME 1582를 준수하는 온도 교정). 온도 교정 절차는 퀴리(Curie) 온도가 알려진 아래의 마그네틱 자기 기준 물질을 표준 샘플로 사용하여 수행 합니다. TGA 가열 시 각각의 물질은 영구 자기 특성을 잃는 원리를 이용하여 측정과 교정 작업을 합니다.

S6060544 Spare Part TGA CURIE POINT CALIBRATION SET OF REFERENCE

MATERIAL ( 온도 교정용 표준 샘플 소재)

=> “Set of reference materials for TGA calibration by Curie point including:

Alumel, Nickel and Nickel-Iron alloy.”

퀴리(Curie) 온도 교정을 수행하는 이유는 ?

모델 세트라인 TGA에서 퍼니스(=용광로) 내부에 있는 열전대 센서는 실제 퍼니스 내부를 가열하고 측정 합니다. 실제 샘플은 담은 도가니(=팬)의 온도를 측정하지 않습니다.

마그네틱 자성 퀴리(Curie)온도 교정 장치를 사용하면 측정된 퍼니스(=용광로) 내부 온도와 측정 샘플 도가니 내부의 이론적인 샘플 온도 간의 차이를 줄이는 데 도움이 됩니다. 온도 교정이 필수는 아니지만 샘플 온도 측정에서 더 나은 정확도를 제공합니다.

온도 교정 절차는 다음과 같습니다. 퀴리 온도가 알려진 마그네틱 자기 기준 물질을 표준 샘플로 사용하여 수행해야 합니다. 가열 하게 되면은 퀴리 자성 표준 샘플 물질은 고유의 온도에서 영구 자기 특성을 잃습니다.표준 샘플 물질의 마그네틱 자성을 잃는 고유 온도수치와, 표준샘플을 실제 가열하여 측정한 온도 수치간의 차이를 교정하게 되면은, TGA 퍼니스 내부를 제어하고 측정한 온도와 실제 샘플을 담은 도가니(=팬) 내부 온도의 오차가 없게 되어 일치하게 됩니다.

상세 사양 : 표준 버전 모델 세트라인 (SETLINE TGA), TGA 열중량 분석기

위 검은색 폴리머 소재는 30mg 의 일반적인 크기로 가로 3mm 입니다. TGA 측정은 일반적인 경우, 30mg 전후 샘플 사용 합니다. DSC 전용기의 경우 일반적인 경우 20mg 전후 크기 사용 합니다.

측정 샘플의 질량 VS 부피 ;

1 liter = 약 1kg = 약 1,000g

1 milli liter = 1g = 1cc = 1x1x1cm = 1cm3

1 micro liter = mm³ = 1mg

위 계산은 샘플소재의 밀도에 따라 차이가 납니다.

물이 샘플일 경우 4℃ 기준 밀도는 ㎖ 당 1 g (=1g/㎖) 입니다.

플라스틱 소재의 밀도는 1.1~1.7 정도 됩니다.

알루미늄 2.7 g/cm3

철, 강철 7.8 g/cm3

금 19.3 g/cm3

밀도 = 물체의 질량 / 물체의 부피

비중 = 물체의 무게 / 그와 같은 부피인 물의 무게

= (물체의 무게 * 물의 부피) / (물의 무게 * 물체의 부피) -> 여기서 물체의 부피 = 물의 부피

= (물체의 무게 / 물체의 부피) / (물의 무게/물의 부피) -> 여기서 무게와 질량은 비례 관계

= 물체의 밀도 / 물의 밀도

그런데 물은 부피 단위로 리터, 질량 단위로 킬로그램을 쓸 때 밀도가 거의 1이 됩니다(또는 밀리리터, 그램을 쓸 때도). 물의 밀도는 온도에 따라 변화합니다. 4℃에서 물의 밀도는 최대가 되고 4℃보다 온도가 상승할수록 밀도는 작아집니다. 물의 밀도는 온도에 따라 변화합니다. 그러므로 밀도와 비중은 다른 개념이지만 값은 거의 같습니다. 따라서 실제 상황에서는 밀도와 비중은 서로 바꿔 사용하여도 무방합니다. 비중은 단위가 없습니다.

TGA의 상위 버전, 모델 템이스 (=THEMYS)의 한미산업 홈페이지 –>

DSC의 상위 버전, 모델 칼벳프로의 한미산업 홈페이지–>

TGA 실험 측정 분석 사례 아래 있습니다.