Caracterización de Materiales: Fundamentos y Aplicaciones de Técnicas Termofísicas

Introducción a los Métodos Térmicos

Los Métodos Térmicos se basan en la medición de la variación de una propiedad de los sólidos en función de la temperatura.

El Análisis Térmico es un conjunto de técnicas en las cuales se mide una propiedad física y química de una sustancia en función de la temperatura, a medida que dicha sustancia es sometida a un programa de temperatura controlada.

Clasificación de Técnicas de Análisis Térmico según la Propiedad Medida

Las diferentes técnicas se distinguen en virtud de la propiedad (P) que se mide:

• Si P es la masa: Análisis Termogravimétrico (TGA-DTGA)
• Si P es la temperatura: Análisis Térmico Diferencial (DTA)
• Si P es el flujo de calor: Calorimetría Diferencial de Barrido o Exploración (DSC)
• Si P son propiedades mecánicas: Análisis Termomecánico (TMA)
• Si P es la evolución de gases: Análisis de Gases Evolucionados (EGA)

Técnicas Fundamentales de Caracterización Térmica

Análisis Termogravimétrico (TGA y DTGA)

El Análisis Termogravimétrico (TGA) mide la masa de una muestra en función de la temperatura. Utiliza una microbalanza de alta precisión que permite detectar variaciones del orden de los microgramos (µg).

Análisis Termogravimétrico Derivado (DTGA)

La Diferencia Derivada (DTGA) es una interpretación distinta de los datos de TGA que permite identificar con mayor precisión la temperatura a la que se producen los procesos de descomposición o cambio de masa.

Nota importante: TGA y DTGA se realizan con el mismo equipo; la diferencia radica en la interpretación de los datos. La única manera de determinar la estabilidad térmica de un material es a través de un termograma (curva TGA).

Técnicas de Programación Térmica para Superficies y Reacciones

Desorción Térmica Programada (DTP)

La Desorción Térmica Programada (DTP) es una técnica utilizada para caracterizar la acidez/basicidad o la distribución de sitios activos en la superficie de un material. El proceso implica:

1. Preparación de una muestra problema a la que se le realiza una adsorción controlada de una molécula prueba o molécula sonda.
2. Calentamiento del sistema mediante un horno y un procesador de temperatura.
3. Detección de los gases desorbidos a la salida, utilizando detectores que pueden ser de dos tipos principales:
   • a) Conductividad térmica
   • b) Espectrometría de masas

La molécula de prueba interacciona con los sitios activos de la superficie, que pueden ser:

• a) Sitios de baja temperatura (interacción débil)
• b) Sitios de alta temperatura (interacción fuerte)

La DTP mide la señal proporcional a la masa de la sustancia desorbida en función de la temperatura o el tiempo. Si la interacción entre la molécula prueba y el sitio activo es débil, la molécula prueba se desorberá a temperaturas bajas. Por el contrario, si la interacción es fuerte, se desorberá a temperaturas altas. A mayor número de sitios activos, más moléculas se van a adsorber.

La DTP proporciona el número total de sitios superficiales capaces de adsorber la molécula de prueba y la distribución de la fuerza de los mismos. A mayor temperatura de desorción, mayor es la fuerza del sitio activo.

Reducción Térmica Programada (TPR)

En la Reducción Térmica Programada (TPR), se introduce un flujo de hidrógeno (H₂) sobre la muestra. Se produce un consumo de H₂ si en la muestra existen centros o grupos reducibles.

La TPR mide una señal proporcional a la masa de la sustancia reductora consumida (o no consumida) durante la reducción, en función de la temperatura o el tiempo. Esta técnica proporciona información valiosa sobre:

• El número total de moléculas reductoras consumidas durante el proceso de reducción.
• El grado de reducción del sólido y su estado de oxidación promedio.
• La presencia de procesos de reducción consecutivos, que se manifiestan como múltiples picos en el termograma de TPR.

Oxidación Térmica Programada (TPO)

La Oxidación Térmica Programada (TPO) es una técnica análoga a la TPR, pero en este caso se produce un consumo o flujo de oxígeno (O₂) si en la muestra existen centros o grupos oxidables.