TGA에 대해서.. (TGA란?, TGA활용)

---

  고분자에 대한 내용도 좀 넣었지만, 너무 DSC 위주로 진행한게 아닌가 싶다. 하지만, 그만큼 고분자에 대한 거시적인 변화를 rough하지만 가장 쉽게 캐치할 수 있기에 언급이 많이 될 수 밖에 없다고 생각한다.

 

  그런 의미에서.. 열분석 장비 중 하나이고, DSC와 세트로 많이 사용되는 TGA에 대해 알아보려고 한다.

 

TGA (Thermogravimetric analysis), 열중량분석

 

  어떤 친구인지 이름에 잘 나와있다. 열을 이용하여 중량을 분석하는 장비이다. 장비는 단순하지만 상당히 다양하게 활용이 가능하다.

 

  왼쪽 그림은 TGA의 개념도를 그린 것인데, 보이는데로 공기환경 (일반적으로 질소 또는 Air조건)을 제어한 상태에서 온도를 올리면서 열분해에 의한 무게 감소를 관찰한다. 예외적으로 산소하 금속을 측정하면 산화에 의해 무게가 증가한다.

  측정을하면 오른쪽 그림과 같은 데이터를 얻게 되는데, 몇도에서 얼마나 분해가되서 줄어들었는지를 확인할 수 있다. 여기서, 첫째로 시료의 열분해 온도를 얻을 수 있고, 추가적인 성분분석을 통해 열분해 메카니즘에 대한 가설을 세울 수 있다.

 

TGA활용

 

시료 열특성

 

  앞서 설명한 것이 전부이다. 조금 더 추가하자면, 질소하에서 열분해이냐, air하에서 열분해하냐에 따라 다른 열특성을 얻을 수 있다. 

 

  질소하 열분해는, 순수 열에 의해 분해가 발생하는 것을 확인하고자 할 때 이용한다. 이렇게 측정된 열분해 온도(decomposition temperature)는 시료의 고유 특성(intrinsic property)로 인식한다.

 

  Air하 열분해는, 열과 산소에 의한 산화과정이 열분해에 추가된다. 따라서, 산화가 가미되었을때 열분해 온도를 본다. 보통 일반적인 제품들은 공기중에 우리가 사용하고 있으니, 이와 같은 환경조건으로 가정하여 열에 대한 수명을 볼 때 많이 이용된다. 또한, 유기물질은 산화가 이루어지면, carbon형태까지 분해가 되기 때문에 산화가 가미된 열분해에서 얼마나 중량이 줄어드는지, 그리고 잔류 carbon함량이 얼마인지 확인할 때도 사용한다.

 

함량

 

  깨끗하게 타지 않는 물질이 여러개 섞여있거나 하면 정확한 분석이 어렵기 때문에, 기본 함량 분석으로 보기는 어렵지만, 증발성 물질 (물, 용매)의 잔류 함량, 무기필러함량을 rough하게 볼 수 있다. 앞서 말하진 않았는데 저울은 소수점 4~5자리 resolution이 되는 것을 사용하지만, purge gas flow에 의한 부력효과를 보정하는 과정에서 resolution손해를 본다. 따라서, ppm단위로 볼 수 있는 다른 분석기기에 비해 정확도가 부족하다.

 

열분해 메카니즘

  기본적으론 TGA-IR, TGA-GC같이 성분분석이 가능한 장치를 활용하거나, 메카니즘 가설을 세워 메카니즘을 파악할 수 있다. 

 

   Rough하게 볼거면..

  PE처럼 단순형태가 아닌 side chain도 있고, benzene ring도 있고 한 구조들은 성분분석까지 안가도 분석이 되는 경우도 있다. 줄어드는 양이 %로 나타나니, 단순하게 반복단위 (repeating unit)에서 어느 부위를 잘라냈을 때 줄어드는 %가 동일한지 확인하면 된다. 물론, 열분해가 복잡한 케이스에는 먹히지 않는 방법이다. 무기필러 비율이 라던지 증발성 첨가제 함량, 또는 수분 함량을 rough하게 확인할때도 사용이 가능하다.

  예를 들어 poly(9-alkyl-carbarzole) (그림)을 열분해한다고 하자. 깔끔하게 두 단계 열분해가 관찰되었다면, 그림의 1, 2, 3번 어느위치에서 끊어져서 떨어져 나갔을때, 이러한 현상이 발생할까? 깔끔히 떨어져 나갈 수 있는 위치는 1번밖에 없으니 1번이 끊어져 열분해가 일어났다는 것을 알 수 있다. 2, 3번이 끊어졌다면 깔끔한 두단계 그래프로 나타날 수 없다. 죽~ 끌리겠지..

 

TGA활용2

 

  실제로 어떤식으로 많이 사용할까?

 

  1. DSC찍기전 Td를 파악하고자 할때

    

  2. 그냥 시료의 Td를 파악하고 싶을때 (공정조건에 높은 온도가 포함되거나 하면..)

     

     - 제품으로 개발하려고 하는데 몇도까지 버티려나?

     - 무슨 무슨 제품에 넣어서 써보고 싶은데, 제품 만들때 200도까지 올린다더라.. 버틸까?

     - 압출하려는데 압력이 많이 걸려서 온도를 250도까지 올리고 싶은데 괜찮을까?         

     등의 궁금증이 생길때 활용한다.

  

  3. 잔류 용매, 수분이 있는거 같은데.. or 공기중에 두면 수분 자꾸 먹는거 같은데..를 확인할때

 

  4. 특정 온도에서 수명이 어떻게 될까? or A대비 B는 특정온도 내구성이 얼마나 좋은가? (내구성 비교)

     : 열에 대한 Kinetic study (Arrhenius 관계식 활용)를 통해 수명을 예측하거나 열내구성 비교를할때 사용

TGA활용팁

 

  Sampling방법, Pan 종류별 장단점, 보얀시 effect에 대한 중량보정법, 승온온도 조절, mTGA, 데이터 프로세싱 방법, kinetic study하는 방법 등 

 

  매우 다양한 것들이 있고, 아마 시간되면 포스팅을 할 수 있을 것 같다.