R&D자료

[개요]

TGA 분석(Thermogravimetric Analysis)은 소재를 높은 온도까지 가열하며 안정성과 분해 온도 등을 확인하는 분석 방법

가열 중에 재료 안에 일어나는 무게 변화를 측정하는 분석을 말하며, 열 천칭을 사용하여 가열 시의 표준시료와 비교하여 온도에 따른 질량 변화를 측정하거나, 초기 무게 대비 가열 후 무게 변화 % 을 구하는 장비

열분해 (Thermal Decompostition, Pyrolysis), 회분(Ash), 열 안정성(Thermal Stability), 연소과정(Combustion Profile), 수지의 함량, 카본블랙 함량, 수분 및 휘발성 물질의 함량, 활성화 에너지(Activation energy), 제품의 수명 평가(Estimated Lifetime)

[측정원리]

저울과 가열로의 결합:

TGA는 정밀한 저울과 시료를 가열하는 가열로가 결합된 형태의 장비.

온도 제어:

장비는 미리 설정된 온도 프로그램에 따라 시료를 가열.

질량 변화 측정:

온도가 변함에 따라 시료의 질량이 감소하거나 증가하는 현상(열분해, 승화, 탈착, 증발 등)을 저울을 통해 정량적으로 측정.

불활성 분위기:

분석 중 주변의 가스 환경을 제어하여 산화나 다른 원치 않는 반응이 일어나는 것을 방지

 

소재의 분해, 산화 온도 측정

복합소재 구성 물질의 함유량 분석

[분석 방법]

TGA 곡선:

측정된 데이터는 시간 또는 온도에 대한 질량 변화를 나타내는 TGA 곡선으로 나타남.

열분해 구간:

TGA 곡선에서 급격하게 중량 감소가 일어나는 부분이 열 분해 구간이며, 이를 통해 열분해가 일어나는 온도를 파악할 수 있음.

구성 성분 분석:

복합 고분자처럼 여러 온도 구간에서 계단 형태의 분해가 일어나는 경우, 각 구성 성분의 중량 비율을 정성적으로 파악할 수 있음.

 

구분	범위	비고
온도 범위 (Temperature range)	20 ~ 950℃	시작 ~ 종료 온도 선택 온도 유지 가능
승온속도 (Programmable rate)	0.01˚C/min ~ 100˚C/min	일반적으로 5 ~ 10℃/min 으로 분석
Purge gas	Nitrogen 또는 Air (N₂: O₂= 79 : 21)
Sensitivity	0.1 ug

[열중량 분석에 영향을 미치는 요소]

1. 열중량 분석 결과는 실험 조건에 따라 달라짐

- 장비 요인: 가스 부력과 대류, 크루서블, 휘발성 응축, 저울의 민감도, 샘플 홀더 및 열전쌍 등

저울의 민감도, 샘플 홀더, 열전쌍의 영향은 고정되어 있으며, 질량 보정과 온도 보정을 통해 이러한 체계적인 오류를 줄이거나 없앨 수 있음.

(1) 부력의 영향: 샘플 주위의 가스가 온도 상승에 따라 팽창하고, 밀도가 감소하므로 샘플의 TG 값이 증가함.

(2) 대류의 영향: 대류의 발생은 측정을 흔들리게 만듬.

(3) 응축 물질의 영향: 물질 분해로 생성된 휘발성 물질이 측정 접시와 연결된 차가운 부분에 응축되어 질량 손실 측정 결과에 영향을 미칠 수 있음.

 

2.실험 조건 요인: 가열 속도와 실험 분위기.
(1) 가열 속도의 영향: 가열 속도는 열중량 곡선에 큰 영향을 미침

- 가열 속도가 높을수록 그 영향은 커집니다. 샘플은 매개물질-크루서블-샘플을 통해 열전달을 받기 때문에, 가열 속도가 다르면 고온로와 샘플 크루서블 사이에 온도차가 형성

- 이 온도차는 측정 오차를 유발. 일반적으로 가열 속도가 5~10 °C/min일 때 영향이 적음.

- 가열 속도는 열중량 곡선의 형태와 샘플의 분해 온도에 영향을 미칠 수 있지만 질량 손실에는 영향을 미치지 않습니다. 느린 가열은 샘플의 분해 과정을 연구하는 데 유용하지만, 급격한 가열이 항상 해로운 것은 아니며, 이는 실험 조건과 목적에 따라 다름.

- 샘플 양이 매우 적을 때 급격한 가열은 분해 과정에서 형성된 중간 생성물을 확인할 수 있는 반면, 느린 가열은 이를 달성할 수 없음

(2) 분위기의 영향:

- 불활성 분위기, 산화 분위기, 환원 분위기, 그리고 CO2, Cl2, F2 등 기타 분위기

- 분위기는 열중량 실험 결과에 영향을 미칠 수 있으며, 반응의 성질, 방향, 속도 및 온도에 영향을 미칠 수 있으며, 열중량 측정 결과에도 영향을 미침

3.샘플 요인: 주로 샘플 양, 샘플 크기 및 모양.

(1) 샘플 양의 영향: 샘플의 양은 열전도, 열확산 및 휘발성 배출에 영향을 미침

- 샘플 양이 많을수록 열 효과와 온도 구배가 커져 열전도와 가스 배출에 불리하며, 이로 인해 온도 편차가 발생

- 샘플 양이 많을수록 편차가 커지므로, 열 균형의 민감도 허용 범위 내에서 샘플 양을 가능한 한 줄여 좋은 검출 효과를 얻는 것이 좋음

- 실제 열중량 분석에서는 샘플 양은 약 5mg 정도면 충분합니다.
(2) 샘플 입자 크기와 모양의 영향: 샘플의 입자 크기와 모양은 열전도와 가스 확산에 영향을 미침.

- 입자 크기가 다르면 가스 생성물의 확산에 변화가 생겨 반응 속도와 열중량 곡선의 형태에 영향을 미침.

- 입자 크기가 작을수록 반응 속도가 빠르고, 열중량 곡선에서 초기 분해 온도와 최종 분해 온도가 낮으며, 반응 범위가 좁고 분해 반응이 완전히 진행

- 입자 크기의 영향은 열중량 분석에서 무시할 수 없는 중요한 요소.

 

[TGA를 활용 분야]

- 고분자 및 유기물 소재의 열분해 온도 (Thermal decomposition temperature of polymer and organic materials)

- 대기 조건(Air vs N₂) 차이에 따른 질량 변화 비교

- 흡수된 수분 및 용매 함량 측정

- 열안정성(내열 특성) 확인 (Check thermal stability and heat resistance characteristics)

- 잔류 무기물 또는 회분(ash) 함량 분석: 연소 후 남는 무기물의 비율 분석 (특히 고분자, 복합재료 등)

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