Complete Materials Deformulation Using TGA-IR

Význam tématu

Analýza složení a deformulace materiálů je klíčová v diagnostice poruch, kontrole kvality a vývoji náhradních materiálů. Kombinace termo-gravimetrické analýzy (TGA) a plynové FT‑IR spektroskopie umožňuje nejen kvantifikovat úbytky hmotnosti při zahřívání, ale i identifikovat uvolňované plyny a těkavé složky. To je zásadní pro odhalení rozdílů ve formulacích, identifikaci toxických emisí a pro rozhodnutí o náhradních surovinách nebo změnách výrobního postupu.

Cíle a přehled studie / článku

Účelem aplikované poznámky bylo demonstrovat schopnosti TGA‑IR v kombinaci s výkonným softwarovým vyhledáváním (OMNIC Specta) pro kompletní deformulaci materiálů. Studie ilustruje tři průmyslové scénáře: chemické složení a průběh vytvrzování dvousložkového epoxidového lepidla, srovnání dvou černých pryží používaných pro těsnění a identifikaci uvolňovaných látek u dvou materiálů pěnového plastu s různými „blowing“ agenty. Hlavním cílem bylo ukázat, jak kombinované údaje z TGA (hmotnostní ztráty vůči teplotě) a plynových FT‑IR spekter poskytují akceschopné informace pro rozhodování v provozu a výzkumu.

Použitá metodika a instrumentace

Metodika:

• Malé vzorky (10–50 mg) byly vloženy do předem zvážených platinových misek a analyzovány v TGA za inertního proudu plynu při řízeném rampování teploty.
• Plyny uvolněné během zahřívání vedené přenosovou zahřívanou linkou do plynové bunky FT‑IR (double pass, vyhřívaná na 220 °C) a spektra byla získávána v reálném čase.
• Data TGA a FT‑IR byla synchronizována spouštěcím kabelem a společně zpracována; sběr FT‑IR proveden při rozlišení 4 cm‑1 s předběžným sběrem pozadí a Gram‑Schmidt (GS) vektorů.
• Multi‑komponentní identifikace plynné fáze byla prováděna importem dat do OMNIC Specta využívající knihovnu HR Nicolet TGA Vapor Phase.

Instrumentace (konkrétně uvedená):

• TA Instruments Q5000 TGA s autosamplerem
• Nicolet iS10 FT‑IR spektrometr
• Nicolet iZ10 vzorkovací modul s TGA in‑sample příslušenstvím a double‑pass plynovou bunkou (vyhřívaná na 220 °C)
• Zahřívaná přenosová linka, platinové pánvičky, OMNIC a OMNIC Series software, OMNIC Specta pro multikomponentní vyhledávání, TA Universal Analysis (UA) pro import dat

Hlavní výsledky a diskuse

Epoxid:

• TGA‑IR odhalil postupné uvolňování látek: počáteční vývoj CO2 a vody (~190–210 °C), následně uvolnění složek základního materiálu a tvrdidla včetně bisfenolu A, později vznik esterových skupin indikujících zrychlené vytvrzování a při vyšších teplotách rozklad s evolucí methanu a zbytků bisfenolu A.
• Jednotlivé okamžité spektra byla komplikovaná směsmi plynů. OMNIC Specta umožnila rychlou (<1 min) a přesnou multi‑komponentní dekonvoluci se shodou mezi složeným a naměřeným spektrem, přestože se vyskytovaly menší odchylky způsobené rozdílnými experimentálními podmínkami plynné fáze oproti knihovním spektrům.

Černé pryže:

• GS profily a derivace hmotnostní ztráty ukázaly rozdíly v teplotách uvolňování mezi světlou a tmavou pryží: tmavá, více uhlíkem plněná pryž uvolňovala plyny při nižší teplotě než světlá pryž, i když základní součásti byly podobné.
• Analýza spekter ukázala přítomnost CO, CO2, vody a organických těkavých sloučenin; zúžené multi‑komponentní vyhledávání odhalilo buteny, methanol a methyl‑ethyl‑keton mezi stopovými emisemi.
• Rozdíl v teplotě uvolnění je prakticky významný — nižší teplota evoluce může vést ke snížení výkonu těsnění nebo jeho předčasnému selhání.

Pěnové plasty (blown foam):

• Srovnání dvou blowing agentů a finálního materiálu ukázalo rozdílné chování: Agent 1 vykazoval rychlý, jednorázový (explozivní) výdej plynů s více komponentami v emisích; Agent 2 měl dvě postupné přechodové uvolnění, přičemž hlavní plyn byl CO2.
• OMNIC Specta identifikovala u Agent 1 přítomnost isokyanátu (a malý příspěvek CO), což bylo rozhodující pro hodnocení bezpečnosti; základní polymer při analyzované teplotě (do 200 °C) žádné tyto plyny neuvolňoval, tedy problém byl v blowing agentu.
• Mechanické vlastnosti finálních pěn byly srovnatelné, ale volitelnost Agentu 2 byla preferovaná kvůli nižším a méně toxickým emisím.

Přínosy a praktické využití metody

• Metoda kombinuje kvantitativní data TGA (hmotnostní ztráty podle teploty) s kvalifikovanou identifikací uvolňovaných plynů pomocí FT‑IR, čímž poskytuje komplexní obrázek o chemickém chování materiálu při zahřívání.
• OMNIC Specta zefektivňuje interpretaci překrytých plynných spekter prostřednictvím automatizovaného multikomponentního vyhledávání, čímž snižuje závislost na odborném výkladu a zkracuje dobu analýzy.
• Praktické využití zahrnuje: deformulaci kompozitů, identifikaci zdrojů poruch v těsněních a pryžích, výběr bezpečnějších blowing agentů, kontrolu dovozních surovin a rozhodování v produkčních úpravách formulací.

Budoucí trendy a možnosti využití

• Integrace TGA‑IR s dalšími technikami (např. GC‑MS nebo přímé hmotnostní spektrometrie) pro potvrzení a kvantifikaci identifikovaných plynů.
• Rozšíření a kalibrace plynových knihoven pro lepší shodu spekter za různých teplotních a tlakových podmínek a pro méně běžné nebo reaktivní sloučeniny (např. isokyanáty, intermediáty rozkladu).
• Automatizované pracovní postupy a strojové učení pro rychlejší dekonvoluci komplexních průběhů a predikci potenciálních provozních rizik na základě historických dat.
• Větší uplatnění ve výrobní kvalitě (online/offline kontrola VOC a bezpečnostních parametrů), při regulaci emisí a při návrhu materiálů s omezenými toxickými emisemi.

Závěr

Studie demonstruje, že kombinace TGA a plynové FT‑IR spektroskopie, doplněná výkonným multikomponentním vyhledáváním (OMNIC Specta), poskytuje rychlé, spolehlivé a akceschopné informace pro deformulaci a diagnostiku materiálů. Metoda umožňuje nejen detekci a kvantifikaci termicky uvolňovaných složek, ale i jejich identifikaci v případech silně překrytých emisí, což usnadňuje rozhodování o volbě surovin, bezpečnostních opatřeních a úpravách procesů.

Reference

1. Application Note: 51694. Complete Materials Deformulation Using TGA‑IR. Michael Bradley, Thermo Fisher Scientific, Madison, WI, USA, 2008.