Determinação de temperaturas e de entalpias por calorimetria diferencial de varrimento

O que é?

A análise térmica diferencial (DTA) é uma técnica que consiste na variação de temperatura entre a amostra a analisar e uma substância de referência, selecionada para que esta não sofra transformações térmicas na gama de temperaturas em estudo e segundo um programa controlado de temperatura e atmosfera inerte, redutora ou oxidante (vácuo, árgon, hélio, ar ou ar+H2). O resultado de uma análise DTA é uma curva térmica que representa o diferencial de temperatura em função da temperatura (ou tempo), a qual regista os fenómenos energéticos desenvolvidos durante o processo de variação de temperatura imposto à amostra. Estes fenómenos são geralmente indicados por picos que podem ter sentidos opostos, caso sejam representativos da ocorrência de fenómenos endotérmicos (absorção de calor) ou exotérmicos (libertação de calor).
A calorimetria diferencial de varrimento (DSC) é uma variante da técnica de DTA, na qual se mede directamente a quantidade de energia calorífica (fluxo de calor) trocada entre a amostra e o meio ambiente em comparação com um material de referência e associado a transições nos materiais em função da variação de temperatura. Para além de ser uma técnica mais sensível e de maior precisão, o DSC permite a determinação de parâmetros que não são possíveis de obter através de DTA.
A termogravimetria (TG) permite, mediante a utilização de uma balança de alta precisão, relacionar as variações de massa com a temperatura ou com o tempo, à medida que a amostra a analisar é submetida a um programa de temperatura e atmosfera controlados. Estas variações são consequência das modificações químicas e estruturais dos materiais. A curva resultante, termograma, fornece informação para a identificação de fases ou para o estudo de processos de reação (por exemplo, oxidação, redução, decomposição, voltaização, sublimação e outras reações com o meio envolvente).
A análise térmica simultânea (TG-DTA/DSC) é um sistema combinado no qual se podem simultaneamente realizar os vários tipos de análise referidos anteriormente, usando uma única amostra sob as mesmas condições experimentais, permitindo registar as variações de massa, entalpia e temperatura. Esta combinação permite, por exemplo, reconhecer se uma mudança de energia é associada uma mudança de massa ou se ela é devida a uma mudança de fase.

Para que serve?

Um material ao ser submetido a variações de temperatura pode sofre diversas transformações, podendo estas traduzir variações importantes de algumas das suas propriedades físico-químicas. Estas variações são particularmente importantes na vizinhança das temperaturas de transição ou de mudança de estado e são características da estrutura e composição química de cada material, pelo que a observação desses efeitos através de análises térmicas pode fornecer dados valiosos, não só sobre a natureza e intensidade das transformações sofridas, mas também sobre a estabilidade térmica e a composição química ou a constituição estrutural desse material.
Dada a grande versatilidade das técnicas mencionadas, estas podem ser utilizadas nas fases de investigação e desenvolvimento para caracterizar uma vasta gama de matérias-primas (orgânicas e inorgânicas), incluindo cerâmicos, metais e ligas, fibras, polímeros, compósitos, pastas, géis e líquidos etc. em diversos domínios científico e indústrias (farmacêutica, alimentar, metalúrgica, química, eletrónica, materiais de construção, etc.).
São métodos muito versáteis e podem ser utilizados numa vasta gama de materiais para avaliar processos térmicos envolvidos e caracterizá-los qualitativamente como endotérmico ou exotérmico, reversível ou irreversível, transição de primeira ou de segunda ordem. Possibilita a determinação de algumas propriedades, tais como temperaturas de fusão, cristalização e transição vítrea e fornecer outras informações valiosas tais como calores específicos, entalpias, grau de cristalinidade, resistência à oxidação entre outras, ou aspectos como resistência à degradação, presença de impurezas e de aditivos, determinação do teor de cargas, etc.

Equipamento e condições de utilização

O laboratório possui para a realização de análises térmicas um equipamento da marca Setaram, modelo Setsys Evolution 1750, capaz de operar numa gama de temperatura compreendida entra a temperatura ambiente e 1600º C, em diferentes atmosferas e a taxas de aquecimento e arrefecimento controlado (até 50º C /min). Os ensaios de DSC/TG podem ser efectuados em simultâneo ou em separado, consoante os resultados pretendidos e recorrendo a quantidade de amostra entre 1-200 mg. Ao equipamento base pode ainda ser acoplado um espectrómetro de massa com o qual é possível obter informação sobre o tipo de espécies químicas que se libertam durante o processo térmico a que o material é sujeito.

Exemplos de aplicação

• Determinação de temperaturas características (fusão, cristalização, transições polimórficas, reacções, transição vítrea)
• Avaliação de cinética e entalpia de reacções
• Avaliação de temperaturas e graus de oxidação em filmes finos
• Avaliação de matérias-primas cerâmicas
• Determinação de carbonatos em gessos
• Estabilidade térmica e oxidativa em óleos
• Determinação do grau de cristalinidade
• Quantificação de aditivos em polímeros