Termal analiz uygulamaları

Gıdaların Termal Analizi, Diferansiyel termal analiz, Diferansiyel taramalı kalorimetri

Termal analiz uygulamalarında analiz sistemlerinin ölçtükleri özelliklere göre birbirlerinden ayrılan bir çok farklı yöntem bulunmaktadır:
– Diferansiyel Termal Analiz (DTA) : Sıcaklık farkı
– Differantial Scanning Calorimetry (DSC) : Isı farkı
– Termogravemetrik Analiz (TGA) : kütle
– Termomekanik Analiz (TMA) : boyut
– Dilatometri (DIL) : Hacim
– Dinamik Mekanik Analiz (DMA) : Mekanik direnç ve sönüm
– Dielektrik Termal Analiz (DEA) : Dielektrik sabiti ve kayıp faktörü
– Genleşen Gaz Analizi (EGA) : Gaz ayrıştırma ürünleri
– Termo-optik Analiz (TOA) : Optik özellikler
Bazı uygulamalarda farklı özellikler aynı anda ölçülebilir. Örneğin TGA-DSC veya TGA-EGA gibi.

Az kullanılan diğer yöntemler olarak numunedeki ses veya ışık yayımı ölçümü, dielektrik materyalden elektrik boşalma ölçümü veya baskı altındaki numunenin mekanik gevşeme ölçümü gibi teknikler belirtilebilir. Tüm bu tekniklerin özünde numunenin sıcaklık değişimine göre verdiği cevabın incelenmesi vardır.

Numunenin sıcaklığını kontrol etmenin yanında çevre şartlarını kontrol etmekte çok önemlidir. Ölçümler havada veya nitrojen, helyum 3 gibi asal gazlar altında da yapılabilir. Ayrıca indirgen veya etkin atmosferler kullanılabilir ve ölçümler su veya başka sıvıyla çevirli bir numune ile icra edilebilir.

Termal analiz ayrıca yapılar üzerinden ısı transferi ile ilgili bir terim olarak kullanılır. Modelleme sistemlerinde birçok temel mühendislik verileri ısı kapasitesi ve termal iletkenlik ölçümlerinden gelir.

Gıdaların Termal Analizi

Birçok gıda ürünü üretim, taşıma, depolama, hazırlama ve tüketim aşamalarında sıcaklık değişimlerine tabi tutulur. Sıcaklık değişimi gıda bileşenlerinin fiziksel ve kimyasal özelliklerinde değişime sebep olur. Bu değişim tüm işlemler sonucunda elde edilen son ürünü etkiler (örn. tat, doku, görünüm ve saklama ömrü ). Hidroliz, oksidasyon ve arıtma gibi kimyasal değişimler ile, buharlaşma, erime, kristalleşme, kümelenme, pelteleşme gibi fiziksel değişimler görülebilir. Sıcaklığın gıdalar üzerinde etkisi daha iyi anlaşıldığında elde edilen ürünün kalitesi artacak ve üretim aşamaları optimize edilebilecektir. Bu yüzden gıda konusunda çalışan biliminsanları için gıdada meydana gelecek sıcalık değişimlerini kontrol etmek için kullanılacak analitik yöntemler geliştirmek çok önemlidir.

DTA

Diferansiyel termal analiz (DTA), termoanalitik bir yöntemdir. DSC yöntemine benzer. DTA yönteminde üzerinde çalışılan materyal ve referans aynı termal döngülerden geçirilir. Bu aşamada numune ve referans arasındaki sıcaklık farklılıkları kaydedilir. Sıcaklık farkı zamana veya sıcaklığa göre çizdirilir. ( DTA eğrisi veya termogram ). Numune üzerindeki egzotermik veya endotermik değişimler referansa göre bulunabilir. Bu yüzden DTA eğrisi meydana gelen kristalleşme, erime ve süblimleşme değişimler hakkında bilgi verebilir. DTA tepe noktasının altındaki kısım entalpi değişimini gösterir ve numunenin ısı kapasitesinden etkilenmez.

Ölçüm Aparatları

DTA aparatları termokupl içeren bir numune taşıyıcı, numune kapları ve seramik veya metalik bir blok, fırın, sıcaklık programlayıcısı ve kayıt sisteminden oluşur. Buradaki anahtar özellik bir voltmetreye bağlı iki termokuplun olmasıdır. Bir termokupl Al2O3 gibi bir referans materyalinin içine, diğeri ise ölçüm yapılacak numunenin içine yerleştirilir. Sıcaklık arttığında, eğer numune bir faz geçişine gidiyorsa voltmetrede kısa bir sapma meydana gelecektir. Bunun nedeni ısı değişiminin sıcaklığı arttırmasına rağmen, bunun materyalin faz değişiminde gizli ısı olarak katılmasıdır.

Günümüzde birçok üretici gerçek bir DTA yapmak yerine bu teknolojiyi Termogravimetrik analiz cihazları içine katmaktadırlar. Böyle kütle kaybı ve termal bilgiler edinilebilir. Yazılımlarda meydana gelen gelişmeler ile birlikte bu ölçüm cihazları daha da geliştirilerek TGA-DSC ölçüm cihazlarıda elde edilmiş böylece sıcaklık, numunenin ısı akışı ve kütle kaybı eşzamanlı olarak ölçülebilir.

Uygulamalar:
* DTA eğrisi tanımlama amacıyla parmak izi olarak kullanılabilir ancak genellikle faz diyagramlarının tanımlanması, ısı değişim ölçümleri ve çeşitli ortamlarda ayrışma uygulamalarında kullanılırlar.
* DTA ilaç ve gıda endüstrisinde yaygın olarak kullanılır.
* DTA çimento endüstrisinde, maden araştırmalarında ve çevresel çalışmalarda kullanılabilir.
* DTA eğrileri arkeolojik materyaller üzerinde çalışmak için kullanılabilir.

DSC

Diferansiyel taramalı kalorimetri veya DSC termal analizde kullanılan termoanalitik bir yöntemdir. Numune ve referansın sıcaklığını arttırmak için verilmesi gereken ısı miktarı sıcaklığın bir fonksiyonu olarak ölçülür. Numune ve referans deney süresince aynı sıcaklıkta tutulmaya çalışılır. DSC analizi için sıcaklık programı genellikle numune tutucunun sıcaklığının zamana karşı lineer bir şekilde artacak şekilde dizayn edilmiştir. Referans malzemesinin ısı kapasitesinin taranan sıcaklık aralığı üzerinde iyi bir şekilde tanımlanmış olması gereklidir.

DSC’ nin temel uygulama alanları egzotermik ayrışma, erime gibi faz değişimleri üzerindeki çalışmalardır. Bu geçişler enerji değişimi veya ısı kapasitesi değişimleri içerir ve DSC tarafından büyük bir hassasiyetle ölçülebilir.

DSC tekniği E.S. Watson ve M.J. O’Neill tarafından 1960 yılında geliştirilmiştir.

Faz Geçişlerinin Tespiti

Bu tekniğin altında yatan temel prensip; numune faz değiştirme gibi fiziksel bir dönüşüme gidiyorsa referansla aynı sıcaklıkta tutabilmek için numuneden daha az veya daha çok ısı akışı olacaktır. Daha az veya daha çok ısı akışı işlemin endotermik veya egzotermik olmasına göre değişir. Örneğin katı bir numune eriyip sıvı hale geçiyorsa referansla aynı oranda sıcaklık artışına sahip olması için numuneden daha fazla ısı akışı gerçekleştirilmelidir. Bunun sebebi katı halden sıvı hale geçerken numune tarafından gerçekleştirilen ısı emilimidir. Numune ve referans arasındaki ısı akış değişimi kontrol edilerek DSC yöntemi ile hal değişimi sırasında yayılan veya emilen ısı miktarı ölçülebilir.

DSC Eğrisi

DSC deneylerinden ısı akışının zamana veya sıcaklığa göre çizilen eğrisi elde edilir. İki farklı eğilim vardır : Numunedeki egzotermik reaksiyonlar deney yapmak için kullanılan ölçüm cihalarında kullanılan farklı teknolojilere bağlı olarak negatif veya pozitif tepe noktası olarak gösterilir. Bu eğri hal değişimlerinin entalpilerini hesaplamak için kullanılabilir.

Hal değişiminin entalpisi aşağıdaki eşitlikle açıklanabilir :

ΔH = KA

Bu denklemde ΔH geçişin entalpisi, K kalorimetrik sabit ve A eğri altındaki alanı gösterir.
Termal analiz uygulamaları

Uygulamalar

Gıda bilimi uygulamalarında DSC diğer termal analitik tekniklerle bağlantı halinde su dinamiklerini tanımlamak için kullanılır. Su dağılımındaki değişimler yapısal değişimle ilişkilendirilebilir.

TGA

Termogravimetrik analiz veya TGA, numunede sıcaklığa bağlı olarak meydana gelecek ağırlık değişiklikerini tanımlamaya yarayan bir test biçimidir. Bu analiz ağırlık, sıcaklık ve sıcaklık değişimi’ nin yüksek kesinlikli ölçümlerine bağlıdır. Birçok ağırlık kayıp eğrisi birbirlerine benzediğinden ağırlık kayıp eğrisinin sonuçları yorumlanmadan önce bir dönüşüme ihtiyaç duyulabilir. Ağırlık kayıp eğrisinin türevi hangi noktalarda ağırlık kaybının daha belirgin olduğunu anlatmak için kullanılabilir. Yinede daha ileri düzenlemeler ve çakışan tepe noktalarının ters evirimi yapılmadan yorumlanlası sınırlandırılacaktır.

TGA, polimer gibi materyallerin karakteristiklerinin belirlendiği araştırma ve testlerde bozulma sıcaklığı, materyal tarafından emilmiş nem, materyal içindeki inorganik ve organik komponent seviyesi, patlayıcıların ayrışma noktaları ve çözücü tortularının tanımlanması için kullanılır. Ayrıca yüksek sıcaklıklı oksidasyondaki aşınma kinetiğini tahmin için kullanılır.

Bir Cevap Yazın

E-posta hesabınız yayımlanmayacak. Gerekli alanlar * ile işaretlenmişlerdir