UNIVERSIDAD NACIONAL DE TRUJILLO

ESCUELA ACADÉMICA PROFESIONAL DE

INGENIERÍA DE MATERIALES

I. OBJETIVOS
I.1. Objetivo General
 Fortalecer los conocimientos adquiridos en clase, mediante la práctica de
laboratorio.
I.2. Objetivos Específicos
 Identificar los tipos de termogramas y las propiedades que adquiere el
material.
 Realizar termogramas para el material de estudio.
II. FUNDAMENTO TEORICO
TERMOGAVIMETRIA (TG):
a) DEFINICIÓN:
La TG (de manera análoga al caso de otras técnicas de análisis térmico) se
define como la técnica en que se mide el peso de una muestra frente al tiempo
o a la temperatura mientras se somete la muestra a un programa de
temperatura controlado en una atmósfera específica. El programa de T puede
ser mantener a T cte (isotermo), calentamiento a velocidad cte (el más
habitual junto al isotermo), enfriamiento o cualquier combinación de ellos. Lo
habitual es que se produzca una pérdida de peso pero también es posible que
haya una ganancia de peso. La atmósfera puede ser estática o dinámica con
un caudal determinado (también se emplean condiciones de presión reducida)
y los gases más habituales son N2, aire, Ar, CO2. También se usan H2, Cl2, o
SO2. Una característica fundamental de la TG es que sólo permite detectar
procesos en los que se produce una variación de peso tales como
descomposiciones, sublimaciones, reducción, desorción, absorción, etc
mientras que no permite estudiar procesos como fusiones, transiciones de
fase, etc.
b) EQUIPO: TERMOBALANZA :
El equipo utilizado en TG es una termobalanza que consta de 5 partes
principales:
 Una microbalanza electrónica y su equipo de control
 Un horno y los sensores de T, habitualmente un termopar colocado en las
proximidades de la muestra pero no en contacto con ella.
 Un programador de T
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 Un controlador de la atmósfera (tipo de gas y caudal)

 Dispositivo para almacenar los datos de peso y T fundamentalmente.

El primer componente de una termobalanza es una microbalanza. Un ejemplo

es el presentado en el esquema: el brazo de la balanza pivota sobre una
bobina eléctrica suspendida en un campo magnético. La posición del brazo se
mide mediante un sensor óptico y cualquier desviación origina una corriente
que se comunica a la bobina y la devuelve a la posición de equilibrio. Esto es
importante para mantener la muestra en la misma posición dentro del horno.

El segundo componente fundamental en una termo balanza es el horno,

normalmente se emplea una resistencia eléctrica (de Pt, Rh o W) enrollada de
manera que se eviten las interacciones magnéticas con la muestra y según el
material se consiguen diferentes T máximas. También hay equipos en los que
se caliente por IR o MW.

FIGURARA N°01: Imagen de la termobalanza y sus componentes

Las características más importantes que debe cumplir un horno son las
siguientes:

1. Debe tener una zona de T uniforme que debe ser mayor que la muestra y
el soporte en el que se coloca.
2. El calor del horno no debe afectar el mecanismo de la balanza.
3. Debe ser capaz de una rápida respuesta y de calentar/enfriar con un
amplio rango de velocidades.
4. Para la realización de una serie de experimentos es muy util que sea
posible un enfriamiento rápido(p. ej. si se calienta hasta 1200ºC para
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volver a realizar medidas a partir de T ambiente es necesario un

enfriamiento rápido).
5. Las paredes del horno deben ser inertes tanto al gas utilizado como a
productos desprendidos del producto en todas las T usadas. Para ello se
suele utilizar un revestimiento de alúmina o de mullita, o de sílice para T
más bajas.
Es importante tener presente que los experimentos de Análisis Térmico se
realizan en condiciones de no-equilibrio , las temperaturas de transición
obsevadas para los diferentes procesos no son las T de transición de
equilibrio. Ya se ha comentado que no se conoce de forma precisa la T de la
muestra durante los experimentos de la misma forma que no se conoce el
gradiente de T dentro de la muestra.
En la definición ya se comentó que en la TG los análisis se realizan en una
atmósfera controlada. Aunque se pueden emplear condiciones de presión
reducida lo habitual es rodear la muestra de una atmósfera inerte o reactiva.
Los gases más utilizados son N2, Ar, aire, CO2 y O2, también se emplea Cl2,
HCN y SO2. Los gases empleados pueden clasificarse de la siguiente forma:
 Atmósfera oxidante: O2, aire - atmósfera reductora: H2, CO
 Atmósfera inerte: N2, He, Ar - atmósfera corrosiva: Cl2, F2, SO2,HCN
(atención a las NORMAS DE SEGURIDAD
 Atmósfera autogenerada, o gases producidos por reacción de la muestra
con la atmósfera.

En la definición se hablaba de un programa de T controlado. Este puede

consistir en mantener la muestra a temperatura constante (régimen isotermo),
también se utiliza un calentamiento lineal a velocidad constante que puede
oscilar entre decimas de grado/min hasta 200 º/min; las velocidades
habituales oscilan entre 5-20 º/min. También se utiliza un programa que
consiste en diferentes etapas isotermas conectadas por calentamiento y
enfriamiento rápido.

Respecto al calibrado de la termobalanza, ésta se puede hacer mediante

patrones con pérdida de peso que se produce a T conocida como el oxalato de
Ca. Para realizar el calibrado de forma más precisa se usa el pto de Curie. El
pto de Curie de un material ferromagnético se define como la T a la que un
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material ferromagnético se transforma en paramagnético, entonces la fuerza

de interacción con un campo magnético se hace cero. Cuando se calienta un
material de este tipo (Ni, aleaciones metálicas y en general materiales
suministrados por los organismos reconocidos como suministradores de
standars como el NIST).

Cuando un material ferromagnético se coloca en el crisol de una

termobalanza que además está situado en el seno de un campo magnético cte,
la termobalanza registra un peso que es la suma del verdadero peso más un
peso adicional debido a la interacción del material con el campo magnético;
al calentar la muestra cuando se alcanza la T de Curie la interacción con el
campo magnético se hace cero y se registra una variación brusca de peso; si
se colocan varios estándars ferromagnéticos es posible realizar un calibrado
de varios puntos sobre un amplio rango de T.

Existen una amplia variedad de tamaños, formas y materiales para los

crisoles. Es importante que no haya reacción química entre el crisol y la
muestra. Los materiales más frecuentes de los que están hechos los crisoles
son Pt, Al o alúmina. El rango de temperatura que se puede utilizar y
conductividad térmica son diferentes para cada material como es lógico. La
temperatura máxima del análisis debe estar siempre por debajo de la T de
seguridad del material (p. ej. el Al tiene como máxima T recomendada 560 ºC
mientras que uno de Pt tiene 1630 ºC).

Si es posible, es recomendable utilizar un crisol en forma de platillo, pequeño

y poco profundo ya que favorece la difusión de los gases liberados, la
transferencia de calor y un calentamiento homogéneo.

c) PRESENTACIÓN DE RESULTADOS.
El resultado de un análisis termogravimétrico se suele presentar en forma de
gráfica conocida como termograma o curva termogravimétrica. En ella se
presenta el peso en el eje y (en valor absoluto o en porcentaje) frente a la
temperatura o al tiempo en el eje x. En este caso las unidades elegidas han
sido % y T en ºC. Para cada etapa de pérdida de peso se representa el
porcentaje de pérdida de peso junto con el producto al que corresponde si se
conoce.
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Al mismo tiempo se suele representar la curva DTG, que es la primera

derivada de la curva TG frente a la t o a la T, es decir la velocidad de pérdida
o ganancia de peso. Las unidades por tanto serán %/min, %/ºC, mg/min o
mg/ºC. La gráfica DTG ayuda a identificar con mayor claridad las T inicial y
final de los procesos, además permite detectar la presencia de procesos
solapados. Un parámetro importante en las curvas DTG es la T del máximo
que es la T de máxima velocidad de reacción, o de máxima velocidad del
proceso en general.

Los resultados también se pueden presentar en forma de tabla. Así, para la

descomposición del oxalato de Ca hidratado de las gráficas anteriores se
pueden dar los resultados en forma de tabla especificando:

 Cada etapa con las T inicial, final y del pico DTG

 El porcentaje de pérdida de peso en cada etapa
 El proceso químico asociado con cada etapa
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Es imprescindible especificar cuándo se dan los resultados de un análisis TG

(ya sea de forma gráfica o en forma de tabla) las condiciones experimentales
en las que se realizaron las medidas especificando: - atmósfera empleada y
caudal en su caso. - programa de temperatura empleado - masa de muestra -
tipo y material de crisol y - equipo utilizado

VARIABLES EXPERIMENTALES
Muchos métodos analíticos dan un resultado que es específico del compuesto
que se está investigando, por ejemplo el espectro IR del poliestireno es
específico de ese material y depende muy poco de la preparación de la muestra,
del instrumento o del tiempo empleado para realizar las medidas. Sin embargo
los métodos térmicos son mucho menos específicos para cada compuesto y los
resultados obtenidos varían con las condiciones concretas usadas en cada
experimento. La razón para esto puede resumirse en la naturaleza dinámica de
los procesos involucrados; la señal generada por los sensores va a depender de la
extensión y velocidad de reacción o del proceso involucrado; la transferencia de
calor por conducción, convección o radiación y la interacción de la muestra con
los alrededores va a influir en los resultados obtenidos. Por esto, tal como
comentábamos anteriormente, es necasario detallar los parámetros
experimentales cuando se presentan los resultados de un análisis TG.
Los factores se pueden clasificar en factores instrumentales y factores
relacionados con las características de la muestra. Factores instrumentales:
 El portamuestras: el material del crisol puede influir en la transferencia
de calor debido a la diferente conductividad térmica o por medio de una
reacción química (por ej Pt que cataliza una reacción); los materiales más
utilizados son Pt, Al y alúmina. La geometría del crisol también es
importante ya que un crisol ancho y poco profundo permite una rápida
difusión de los gases reactantes hacia la muestra y una rápida difusión de
los gases producidos lejos de la muestra mientras que un crisol estrecho
y profundo dificulta estos procesos.
 La velocidad de calentamiento: los experimentos de análisis térmico se
realizan desde v=0 (isotermos), a velocidades normales (alrededor de 10
K/min) hasta velocidades muy elevadas como 100 º/min. De la misma
manera se pueden realizar experimentos con diferentes velocidades de
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enfriamiento. Puesto que las velocidades de transferencia de calor en

procesos físicos o químicos son finitas, los resultados varían con la
velocidad de calentamiento. La transferencia de calor entre la fuente y la
muestra y la referencia no es instantánea, depende de la conducción,
convención y radiación dentro del aparato, hay entonces un retraso
térmico que será mayor cuanto mayor sea la velocidad de calentamiento.
 La atmósfera: los gases más utilizados son nitrógeno, aire, CO2 y
helio.La atmósfera puede ser estática o dinámica donde el caudal de gas
puede influir sobre los resultados del análisis térmico. El efecto de la
atmósfera puede deberse a la diferente conductividad térmica de los
gases o a la influencia en una reacción química, por ejemplo un metal
puede ser estable en atmósfera inerte pero puede oxidarse en atmósfera
de aire, también puede influir sobre un equilibrio químico en el que uno
de los productos de reacción es el gas.
Factores relacionados con las características de la muestra como masa,
propiedades físicas, tamaño de partícula, empaquetamiento o densidad
influyen en los resultados del análisis.
a. materiales con una densidad de empaquetamiento baja
tienen huecos que reducen la conductividad térmica de la
muestra.
b. un tamaño de partícula bajo permite un empaquetamiento
más denso y por tanto una conductividad térmica mayor.
TERMOGRAVIMETRÍA EN TÉCNICAS SIMULTÁNEAS
Los métodos térmicos a menudo requieren análisis complementarios mediante
otras técnicas para una completa comprensión de los procesos que están
ocurriendo, incluso en los más sencillos. Es conveniente comenzar combinando
diferentes métodos térmicos entre sí ya que tienen similares programas de T y
control de atmósfera y muestran los procesos térmicos de forma
complementaria.
Los métodos térmicos más utilizados de manera simultánea con la TG son el
análisis térmico diferencial (DTA) y la calorimetría diferencial de barrido
(DSC) dando lugar a las técnicas TG-DTA y TG-DSC. Por su parte los
productos desprendidos en un análisis termogravimétrico pueden analizarse
mediante cualquier método analítico stándard: los gases pueden separarse
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mediante una columna de cromatografía de gases, pueden analizarse mediante

espectroscopía infrarroja o por espectrometría de masas por ejemplo. TG-DTA
y TG-DSC simultáneos. TG-DTA y TG-DSC simultáneos son las técnicas de
uso más extendido dentro de las técnicas simultáneas debido a su naturaleza
complementaria. La TG permite estudiar procesos que llevan asociada una
variación en el peso de la muestra mientras que DTA ó DSC son más versátiles
y pueden detectar cualquier proceso que se produce con un cambio de energía.
Por otra parte la TG proporciona resultados que son intrínsecamente
cuantitativos mientras que el DSC requiere una calibración cuidadosa para
poder obtener datos cuantitativos y en el caso del DTA sólo algunos equipos
permiten medidas cuantitativas. Por último, los resultados obtenidos por DSC o
DTA son mucho más dependientes de las condiciones experimentales que la
TG. La línea base del equipo va a reflejar cambios en la capacidad calorífica de
la muestra y se va a ver influída por cambios en la disposición de la muestra en
el crisol (por fusión, burbujeo o sinterización por ejemplo). Estos factores
pueden dar lugar a dificultades en la interpretación de resultados,
especialmente a altas T; sin embargo no afectan a la señal de la curva TG.
Aunque en muchos casos los resultados obtenidos de distintos equipos TG y
DTA/DSC pueden compararse hay una serie de factores que hacen ventajoso
llevar a cabo las medidas de manera simultánea:
 En diferentes instrumentos se producirá diferencias en la velocidad de
calentamiento de la muestra debido a que cada equipo tendrá su propia
laguna térmica.
 Los entornos térmicos en cada equipo son diferentes y por tanto existirán
diferencias en el auto-enfriamiento o auto-calentamiento de la muestra. -
Aunque se establezca la misma velocidad de flujo de gas el efecto de
purga es diferente en cada equipo por las diferencias de diseño y esto
afectará especialmente a las curvas de descomposición o a las reacciones
gas-sólido.
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LA FIGURA N° 03: representa un equipo TG-DTA con un diseño de dos

brazos horizontales que soportan los crisoles para muestra y referencia.

TERMOGRAVIMETRÍA-ESPECTROSCOPÍA INFRARROJA. TG-IR

La espectrometría infrarroja mide la absorción de radiación en la región de 4000
a 200 cm-1 debido a su interacción con las vibraciones moleculares. El número
de frecuencias fundamentales de una molécula con n átomos es (3n-6) o (3n-5)
si es lineal. Sin embargo es posible que no todos esos modos sean activos puesto
que para que se produzca la absorción infrarroja es necesario que el dipolo
molecular cambie durante la vibración. En moléculas sencillas las bandas
infrarrojas están asociadas a vibraciones fundamentales de toda la molécula, de
streching o de bending, por ejemplo la molécula de H2O que es no lineal
presenta tres vibraciones: streching simétrico, streching antisimétrico y bending
a 3652 cm-1, 3756 cm-1 y 1596 cm-1 respectivamente.
En moléculas más complejas el espectro infrarrojo se interpreta, a menudo, en
términos de “frecuencias de grupo”, es decir, frecuencias de vibración
típicamente observadas para grupos funcionales presentes en las moléculas. Por
ejemplo el grupo carbonilo C=O presenta una vibración streching alrededor de
los 1700 cm-1, el grupo CH3 aparece en torno a los 2900 cm-1 y 1400 cm-1
para vibraciones streching y bending respectivamente.
Para conectar ambos equipos se utiliza una línea de transferencia caliente, que
transporta los gases hasta una celda de gases por la que pasa el haz infrarrojo.
Los espectrómetros de transformada de Fourier trabajan mediante la
interferencia de dos haces IR controlados mediante un sistema de espejos. El
interferograma se convierte mediante el software de transformada de Fourier en
un espectro de transmitancia en función del número de onda.
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Para un rendimiento óptimo un flujo menor de gas de purga incrementa la

concentración de gases producidos (50 mL/min es un valor común). La
detección se ve también mejorada añadiendo una mayor cantidad de muestra (10
mg o superior) y utilizando velocidades de calentamiento relativamente elevadas
(a partir de 15 º/min).

TERMOGRAVIMETRÍA-ESPECTROMETRÍA DE MASAS. TG-MS

La espectrometría de masas es una magnífica técnica para la identificación de

gases y vapores. Si una muestra en estado gaseoso se introduce en un
espectrómetro de masas en condiciones de alto vacío (del orden de 10-6 mbar)
las moléculas pueden ser ionizadas de diferentes formas, por ejemplo mediante
impactos con electrones de alta energía acelerados mediante una diferencia de
potencial del orden de 70 V:
M + e* → M·+ + 2e
La especie M·+ es el ion molecular, normalmente un catión radical con un
electrón desapareado. Con una energía tan elevada, hay una alta probabilidad de
que el ion molecular se fragmente en un fragmento iónico de masa más pequeña
y un fragmento neutro, por ejemplo, el ion molecular de la acetona
[CH3·CO·CH3] ·+ con una relación masa/carga m/z = 58 rápidamente se
fragmenta a iones CH3·CO+ (m/z = 43) o CH3 + (m/z = 15).El patrón de
fragmentación es característico de la molécula estudiada y puede utilizarse como
una especie de huella dactilar.
Respecto al equipo, la configuración más habitual consiste en conectar una
termobalanza convencional con un espectrómetro de masas (normalmente de
cuadrupolo). La mayor dificultad de este acoplamiento es la gran diferencia de
presión entre ambos instrumentos, es necesario reducir la presión del gas desde
un valor del orden de la presión atmosférica hasta 10-6 mbar, es decir en un
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factor de 109 . Existen diversos dispositivos para llevar a cabo esta reducción:
válvulas, orificios, separadores, capilares con bypass, en cualquier caso sólo una
pequeña porción del gas de purga llega al espectrómetro.
La curva TG del oxalato de calcio monohidratado muestra tres pasos en los que
se desprenden H2O, CO y CO2. Como se observa en la figura hay algo de CO2
también en la segunda etapa, posiblemente debido a la desproporcionación del
CO. En la tercera etapa aparecen trazas del fragmento con m/z = 28 debido a la
fragmentación de los iones CO2.

TG-IR y TG-MS son las técnicas simultáneas de uso más extendido. La elección
entre ambas depende del tipo de trabajo que se esté realizando. TG-MS permite
detectar todas las especies gaseosas aunque la sensibilidad se ve limitada por la
señal de background. La instrumentación de MS es más sensible y para el estudio
de sustancias reactivas o corrosivas es preferible el uso de TG-IR.

III. MATERIALES, EQUIPOS E INSTRUMENTOS

MATERIALES
 Muestra de Polietileno
 Gas Argón
 Gas Nitrógeno

EQUIPO

 Analizador térmico simultaneo TG/DSC: Termogravimetrico /

Calorímetro diferencial de barrido “Setsys evolution”
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INSTRUMENTOS

 Pinzas
 Crisoles cerámicos de 100 ul. de capacidad

IV. PROCEDIMIENTO EXPERIMENTAL

1. Encender el estabilizador de energía, conectar el chiller de enfriamiento y
encender el computador (Abrir programa CALISTO “DATA ADQUISITION”).
2. Levantar tapa del equipo TG/DSC y extraer el crisol para limpiar internamente
de restos de muestras anteriores, luego de la cual nuevamente deberá ser ubicada
en su lugar y cerrar la tapa protectora.
Ojo: Durante la extracción del crisol, tener cuidado de bloquear la microbalanza
a fin de no tensionar y provocar la rotura de los alambres de soporte de la
balanza. En ello accionar brazo mecánico al color rojo.
3. Ajustar los parámetros de operación de tasa de calentamiento T° inicio y T° final
y tasa de enfriamiento. Además seleccionar el tipo de crisol utilizado, tipo y
flujo de gas de trabajo de protección y el refrigerante con agua. Posteriormente a
esto, se debe tarar la microbalanza y luego grabar las condiciones de ensayo para
su corrida.
Todo esto debe realizarse en el software “DATA ADQUISITION”.CALISTO.
4. A continuación levante nuevamente la tapa del equipo para extraer el crisol y
colocar en ella la muestra a analizar (Use una balanza analítica ±0,0001 g para
controlar la masa), luego coloque el crisol con muestra en su posición para el
ensayo.
Ojo: Tome en cuenta las mismas precauciones para retirar el crisol que fueron
detalladas en ítem (2).
5. Con la muestra ya instalada y con el equipo cerrado. Abrir las válvulas de gas
Nitrógeno y Argón, encienda el chiller.
6. Finalmente, en el software “DATA ADQUISITION” accione la tecla “START”
para el inicio del ensayo.

V. ANALISIS DE RESULTADOS Y DISCUSION

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Diagrama N°01: Termograma de calorimetría diferencial de barrido para el

polietileno muestra 1. 20-08-15

Diagrama N°02: Termograma de termogravimetía para el polietileno muestra 1.

Como nos muestran los resultados se el primer termograma de DSC nos muestra
las variaciones de entalpías y los calores, es decir mediante este se puede
determinar la temperatura de fusión de dicho material, en este caso, podemos
decir, que la T° de fusión del polietileno es de 138.085°C. Así como también en el
diagrama N°2 nos muestra un termograma de la termogravimetría de un polímero,
en este caso un polietileno de alta densidad, mediante este podemos conocer la
pérdida o ganancia de masas, para dicho material, se tiene una pérdida de material
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alrededor de 425°C. Con estos datos, se pueden conocer ciertas propiedades del
material, como por ejemplo su resistencia térmica.
VI. CONCLUSIONES
 Se fortaleció los conocimientos adquiridos en clase, mediante la práctica de
laboratorio.
 Se identificaron los tipos de termogramas y las propiedades que adquiere el
material.
 Se graficó dos tipos de termogramas para el material de estudio.

VII. BIBLIOGRAFÍA
(1) Termogravietría
Analisis termogravimetrico - PDF
VIII. ANEXOS

FIGURA N°4: Analizador Térmico DSC/DTA-TG

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Figura N°05: Manual del equipo

Figura N°06: Pasos para utilizar el equipo

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Figura N°0: Calculo del inicio de pérdida de masa, para el polietileno de alta
densidad