Ze względu na różnorodność zastosowań w wielu gałęziach przemysłu metody analizy termicznej (TA) polimerów oraz związków małocząsteczkowych szybko się rozwijają i wkraczają w wiele dziedzin nauki. Do podstawowych technik termicznych zaliczamy różnicową kalorymetrię skaningową (DSC) i termograwimetrię (TGA). Na czym one polegają i jakich informacji dostarczają o tworzywach?

Powszechnie wiadomo, że przy zmianie temperatury materia może zmieniać stan agregacji, czyli ulegać przemianom fizycznym i/lub przemianom (reakcjom) chemicznym. W stałym stanie skupienia substancje mogą występować w różnej postaci: krystalicznej, w stanie szklistym, amorficznym lub częściowo krystalicznym. Metasabilne są trzy ostatnie postacie oraz niektóre formy polimorficzne substancji krystalicznych.

Materia występująca w tych stanach ulega procesom relaksacyjnym, a przemiany fizyczne prowadzące do zmian stanu jej agregacji mają charakter kinetyczny. Aby badać przemiany chemiczne, takie jak stechiometria, ciepło, kinetyka reakcji, stosuje się różne techniki termoanalityczne w zależności od badanego procesu.

Wyróżnia się następujące rodzaje przemian chemicznych:

• przemiany chemiczne faz skondensowanych przebiegające z udziałem składnika atmosfery gazowej jako substratu reakcji pierwotnych (np. proces siarczanowania ditlenkiem siarki),
• przemiany chemiczne faz skondensowanych przebiegające z udziałem składnika atmosfery gazowej jako substratu reakcji wtórnych (np. procesy utleniania w fazie gazowej lotnych produktów termicznego rozkładu),
• przemiany chemiczne faz skondensowanych przebiegające bez udziału składnika atmosfery gazowej,
• przemiany chemiczne faz skondensowanych, których produktami są tylko fazy skondensowane (np. procesy poliaddycji w stopie),
• przemiany chemiczne faz skondensowanych, których produktami są fazy skondensowane i produkty gazowe (np. reakcje polikondensacji czy termicznego rozkładu soli kwasów organicznych),
• przemiany chemiczne faz skondensowanych, których produktami są tylko produkty gazowe (procesy termicznego rozkładu substancji organicznych do produktów lotnych w temperaturze ich powstawania).

Szybkość procesu powyższych przemian materii zależy od jej rodzaju, warunków prowadzenia przemiany (katalizator/inhibitor przemian chemicznych, skład atmosfery gazowej mającej kontakt z próbką) i temperatury. Kryterium koniecznym do przeprowadzania analiz termicznych jest wymuszenie nieodwracalności przemian, którą można uzyskać dzięki warunkom pomiaru oraz zapewnienie warunków do osiągnięcia zamierzonego stopnia konwersji składników próbki w procesie o określonej stechiometrii. W przypadku stabilnych chemicznie materiałów przemiany fizyczne, które są odwracalne to np. odszklenie–zeszklenie, topnienie–krystalizacja, przemiany w ciekłych kryształach (z wyjątkiem przechłodzenia). Całkowicie nieodwracalne są egzotermiczne procesy relaksacyjne (zimna krystalizacja), przemiany fizyczne wymuszające przemiany chemiczne, przemiany fazowe typu: faza skondensowana oraz reakcje chemiczne, zarówno typu rozkładu, jak i syntezy w procesach chłodzenia. Aby przeczytać więcej zaprenumeruj PlastNews...

Autorem artykułu jest Edyta Gibas (Instytut Inżynierii Materiałów Polimerowych i Barwników, Oddział Farb i Tworzyw w Gliwicach).