热重分析–傅里叶变换红外光谱(TGA–FTIR)服务

应用笔记

蒂娜·海特克斯(Tina Heetderks)和王新伟(Xinwei Wang)博士

引言

商业合成聚合物,例如环氧树脂,聚丙烯腈,聚丙烯酸酯,酚醛树脂,聚乙二醇,聚氨酯,聚烯烃,聚硅氧烷和含氟聚合物,已广泛用于许多行业。 这些聚合物的主链具有-CC-,-CO-,-CN-,-CS-,Si-O-键,并带有取代基,例如烷基,芳基,-OH,-NH2等等,可以进一步用F,Cl和Br进行修饰。 在空气中,惰性或减压条件下进行热处理时,它们可能释放出各种分子,包括氢2O,NH3,CO,CO2,HCN,HCNO,NOx,SO2,CSO,HF,HCl,HBr,CH4,C2H4,硅烷,硅氧烷,碳氟化合物,甲醛,光气,碳氟化合物和其他挥发性有机物。 这些物种不仅导致性能下降和最终故障,而且引起极大的安全和健康隐患。 因此,其中大多数都受到EPA的严格监管。

这些物质的质谱鉴定通常需要真空条件,并且鉴定经常遭受质量重叠和电离产率差的困扰,这使检测和鉴定成为问题。 另一方面,这些分子种类在450厘米处具有独特的振动模式-1 -4000厘米-1 红外区域(图1)。 实际上,FTIR是分析燃烧废气成分的首选方法。1

TGA-FTIR结合了TGA和FTIR的优势,可进行材料表征和除气分析。 当样品在TGA分析仪中加热时,它可以准确记录质量损失,并通过使释放的分子种类流过FTIR仪器的长光路气室来识别由相应的质量损失引起的释放的分子种类。 在Eurofins EAG锡拉丘兹实验室,上述TGA-FTIR设置可确保对10-100 mg样品进行高达百万分之50-100百万质量损失的高灵敏度检测。

图1常见脱气物质的参考FTIR光谱

案例研究

聚丙烯腈(PAN)的脱气研究证明了TGA-FTIR分析。 作为碳纤维的前体,PAN必须经历一系列过程,包括热氧化稳定化,热解和石墨化,并伴随大量的脱气。 TGA-FTIR为热解动力学和除气曲线提供了强大的见解。 图2描绘了在TGA-FTIR仪器上针对热氧化稳定的PAN样品(Sigma-Aldrich)(包括CO,NH3,HCN和HNCO都是高度危险的空气污染物。 插入物是相应的TGA曲线,显示了热分解模式和热解动力学。 图3清楚地表明了脱气的CO,NH3,HCN和HNCO。

图2热氧化稳定的PAN的TGA-FTIR曲线,显示HCN,HNCO,NH的放气3 CO的温度范围是350°C至800°C。 氩气氛。 升温速率10°C / min。 插入是TGA配置文件。

图3 FTIR识别出的释气物质。 黑色– 500°C时放气的FTIR快照光谱; 红色– HCN(a),NH的参考FTIR光谱3 (b),CO(c)和HNCO(d)。  

常见的应用程序

  • 有害气体排放的调查分析
  • 残留挥发物,例如水分,有机溶剂,单体
  • 新材料或未知材料的表征
  • 产品变形
  • 故障分析

优势

  • 质量损失作为温度和时间的函数的定量测量
  • H等有害气体排放物的调查分析2O,NH3,CO,CO2,HCN,否x,SO2,CSO,HF,HCl,HBr,CH4,硅烷,硅氧烷,碳氟化合物,光气,碳酰氟,甲醛和其他有机挥发物
  • 与真空脱气技术(例如直接插入探针–质谱(DIP-MS))结合使用时,可能会发现大分子脱气物种
  • 允许各种工作气氛,包括惰性气氛(氩气和氮气)以及反应性气体气氛,例如空气,H2/氩气和加湿的氩气;
  • 可编程温度控制–动态加热和恒温保持的灵活组合,从环境温度到1000°C。 在特殊设置下,仪器可以升高到1500°C。

限制

  • 高检测限,可降低挥发性气体的释放
  • 未检测到红外惰性物质(例如H)2,N2,“2,氩气等
  • 仅限于环境压力除气测试

技术比较

残留气体分析(RGA)。 RGA是一种高真空脱气技术,可在10摄氏度以下运行-7 - 10-9 托尔 此技术适用于定量评估整个范围的小分子(最大100 amu),包括H2,水分,O2 和N2RGA通常用于评估内部水蒸气含量,已知这会影响包装的电子,医疗,光学和设备的可靠性。 必须严格遵守测试方法,例如MIL-STD-883,MIL-STD-750,方法1018内部水蒸气含量,才能满足DLA实验室适用性要求。

热脱附气相色谱质谱法(GCMS)用于分析从固体样品基质中放出的有机污染物。 GCMS可以分离并鉴定高达1000 amu的单个有机物种。 EAG的热脱附室(直径为1 1/2英寸x长4英寸)可以在45°C至300°C之间的任何温度下加热,通常需要加热一到三个小时。 将检测挥发性有机成分,并提供半定量结果。 检测限低至10 ng /组分。 热脱附GCMS无法轻易检测出40 amu以下的低水平水分,大气物质或其他小分子。

EAG的TGA-FTIR

EAG的TGA-FTIR由TGA仪器组成,该仪器具有高度可靠的水平双平衡机制,可最大程度地减少浮力对基础信号的影响。 脱气的物质通过载气有效转移到长光程FTIR池中,该池安装在PerkinElmer®FTIR光谱仪上。 传输线和FTIR电池均可通过单独的温度控制器进行加热。

  • TA®SDT Q600:
    • 平衡灵敏度:0.1 µg
    • DTA灵敏度:0.001°C
    • 温度范围:环境至1500°C
    • 加热速度
      • –环境温度至1000°C:0.1 – 100°C / min
      • –环境温度至1500°C:0.1 – 25°C / min
    • 气体容量:Ar,N2 和它们与O的混合物2, H2和H2O
    • 样本量:1-150毫克
  • PerkinElmer®FTIR SpectroOne:
    • 波长范围:450 – 4000厘米-1
    • 分辨率:1、2和4厘米-1
  • FTIR单元:
    • 光程:4.5 m
    • 电池容量:0.75升
  • 温度控制:集成的数字温度控制器可对FTIR电池和传输线提供最高200°C的单独温度控制。
  • 软体:Perkin Elmer的Spectrum™Timebase

概要

TGA-FTIR被广泛用于成分分析和失效分析。 EAG的TGA-FTIR技术配备有加热的长光程FTIR电池,对于在目标温度和大气条件下的脱气曲线(尤其是空气污染物)进行调查分析非常敏感。 我们已帮助许多客户评估问题并采取缓解措施。 总之,EAG的TGA-FTIR服务具有以下特点:

  • 检测样品中由于脱气或热分解而引起的微克变化
  • 包括分子物种(例如H)在内的除气剖面的调查分析2O,NH3,CH4,CO,CO2,HCN,HNCO,NOx,SO2,CSO,HF,HCl,HBr,硅烷,硅氧烷,碳氟化合物,光气,碳酰氟,甲醛和其他有机挥发物
  • 操作模式:
    • 标准模式:室温高达1000°C,惰性气氛
    • 进阶模式:室温最高可达1000°C,反应性气体气氛,包括干燥或加湿的空气,H2/氩气等

脚注

  1. a)Speitel,L.等人,“燃烧气体的傅立叶变换红外分析”。 网站:http://www.tc.faa.gov/its/worldpac/techrpt/ar01-88.pdf; b)Miser,CS等,“通过傅立叶变换红外光谱法在灭火测试中对羰基氟化物,氟化氢和其他燃烧副产物的测量”,哈龙选择技术会议第98期会议记录,新墨西哥州阿尔伯克基,pp 190-203,1998; c)Modiano,SH等,“在CF8Br和C3F3H抑制JP-7燃烧期间,通过傅里叶变换红外光谱对有毒气体产生的定量测量”,Applied Optics,35(21),4004,1996。

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