실험 개요
TGA(Thermogravimetric Analysis)는 시료를 일정 속도로 가열하며 질량 변화를 측정해 휘발·분해·산화 단계를 정량화한다. DSC(Differential Scanning Calorimetry)는 시료와 reference 사이 열흐름 차이로 흡열·발열 사건(녹는점·유리전이·결정화)을 추적한다. 두 기법은 보통 연계해 사용하며 (TGA-DSC 동시 측정 장비도 있음), 학부 재료실험에서는 고분자(PE·PET)·복합재·세라믹 분말 분석이 단골 주제.
이론 배경
TGA 곡선 해석
y축: 질량(또는 %), x축: 온도. 단계별 질량 감소 = 휘발성분(150°C 이하 H2O)·결합수(~250°C)·유기물 분해(300~500°C)·잔류 (회분, ash). 1차 미분(DTG)으로 변화 속도 피크 식별. N2(불활성)에서는 분해, 공기/O2에서는 산화.
DSC 곡선 해석
y축: 열흐름(W/g 또는 mW), x축: 온도. 발열 피크: 결정화(↓), 산화(↓ — 발열 흡수). 흡열 피크: 녹는점(Tm)·증발. 베이스라인 step: 유리전이 Tg (열용량 변화). 면적 적분 = 엔탈피 ΔH (J/g).
고분자 결정화도
DSC 녹는점 피크 면적 ΔHm vs 100% 결정 reference ΔHm^0 → 결정화도 Xc = ΔHm / ΔHm^0. PE: ΔHm^0 = 290 J/g, PP: 207 J/g. 가공·열처리 영향 평가에 핵심.
표·표준값
주요 고분자 DSC 표준값
| 고분자 | Tg (°C) | Tm (°C) | ΔHm^0 (J/g) |
|---|---|---|---|
| LDPE | -110 | 110 | 290 |
| HDPE | -110 | 135 | 290 |
| PP | -10 | 165 | 207 |
| PET | 75 | 250 | 140 |
| PS | 100 | —(비결정) | — |
| PMMA | 105 | —(비결정) | — |
| Nylon 6,6 | 70 | 260 | 188 |
실험 장치 및 시약
- — TGA 장비 (TA Instruments Q500, Mettler TGA/DSC 3+)
- — DSC 장비 (TA Q200, Mettler DSC 3+)
- — Pt 또는 Al 도가니 (5~10 mg 시료)
- — 퍼지 가스 — N2(분해), O2(산화)
- — 표준 시료 — Indium(녹는점 156.6°C, ΔHm 28.4 J/g, DSC 보정용)
실험 절차
- 1.[TGA] 시료 5~10 mg 정밀 칭량, Pt 도가니에 평탄히 깔기.
- 2.온도 프로그램: 25 → 800°C, 10°C/min, N2 50 mL/min.
- 3.질량 vs 온도 + DTG (미분) 그래프 자동 출력.
- 4.[DSC] 시료 5 mg, Al 도가니 hermetic seal.
- 5.온도 프로그램: 25 → 200°C (유리전이·녹는점 영역), 10°C/min.
- 6.1st heat·cool·2nd heat 3 cycle (열이력 제거 후 본 측정).
데이터 처리
TGA: 각 단계별 질량 손실 % + 분해 시작 온도(Tonset) + 잔류율. DSC: Tg(베이스라인 중점), Tm(피크 정점), ΔHm(피크 면적 적분), 결정화도 계산. 산업 spec과 비교 — 예: PET Tm 250±5°C, Tg 75±5°C.
예비보고서 항목별 작성 팁
이론
TGA·DSC 원리 + 두 기법이 보완적인 이유 (질량 vs 열흐름).
결과
TGA 곡선 + DTG 피크 표 + DSC 곡선 + Tg/Tm/ΔH 표.
고찰
결정화도 계산, 1st vs 2nd heat 차이(가공이력 영향), 잔류물 정체 추정.
자주 하는 실수
- — 도가니 질량 미보정 (TGA baseline shift)
- — DSC 표준(Indium) 보정 안 함 — 온도 ±2°C, 엔탈피 ±5% 오차
- — 시료 너무 많아 열저항으로 피크 broad
- — 퍼지 가스 흐름 없이 측정 → 분해 산물이 도가니 내 잔류
자주 묻는 질문
Q. TGA와 DSC 같이 하면 뭐가 좋나요?
TGA의 질량 변화와 DSC의 열흐름을 동시에 보면 흡열 피크가 (녹는점인지 분해인지) 명확히 구분됨. 녹는점은 질량 변화 X + 흡열, 분해는 질량 감소 + 흡/발열. 단독으론 모호한 경우 많음.
Q. 왜 1st heat과 2nd heat이 다르게 나오나요?
1st heat은 시료의 가공·보관 이력(잔류 응력·결정화 정도·수분)을 반영. 2nd heat은 reference cool로 표준화된 후의 본질적 특성. 보통 학술 데이터는 2nd heat 보고. 가공 영향 평가는 1st heat을 보고.