DTG - FASUL

Curso de Especialização em Desenvolvimento de Medicamentos
Análise térmica aplicada ao desenvolvimento de
formulações
Termogravimetria (TG) e
Termogravimetria derivada (DTG)
Professor: Dr Dr. . Paulo Renato de Oliveira
TG e DTG
prenato.oliveira@gmail.com
renato.oliveira@gmail.com
Toledo / PR
2011
Possibilitam conhecer as alterações que o aquecimento pode
provocar nos materiais.
Permitem estabelecer a faixa de temperatura que adquirem
composição química fixa, definida e constante.
Determinar a temperatura em que os materiais começam a se
decompor (estabilidade térmica).
Acompanhar o andamento de reações de: desidratação,
oxidação, combustão, decomposição, etc.
INTRODUÇÃO
Termogravimetria (TG)
A termogravimetria é uma técnica termoanalítica na qual a variação
de massa da amostra (perda ou ganho) é determinada em função
da temperatura (T) ou tempo (t), enquanto a amostra é submetida a
uma programação controlada de temperatura.
Termogravimetria derivada (DTG)
Técnica que fornece a derivada primeira da curva
termogravimétrica, em função do tempo (t) ou da temperatura (T).
GAS-TIGHT
ENCLOSURE
HEATER
SAMPLE
Esquema simplificado de um equipamento TG
GAS IN
POWER
SAMPLE TEMP.
FURNACE TEMP.
TEMPERATURE PROGRAMMER
Porta amostras para TG
WEIGHT
BALANCE
CONTROLLER
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Configurações da balança e do forno
Termobalança suspensa Termobalança de topo Termobalança horizontal
Limitações físicas do processo de aquecimento
TG dinâmica ou convencional
Temperatura varia de maneira pré-determinada, preferencialmente,
a uma razão de aquecimento ou resfriamento linear (constante).
Tg3.swf
Convecção pela
atmosfera circundante
Condução pelo cadinho
e instrumento
Limitações físicas do processo de aquecimento
3 modos de TG são comumente utilizados:
TG
TG
TG
TG quase-isotérmica
• Dinâmica
(convencional)
• Quase-isotérmica
• Isotérmica
Trocas gasosas.
Entrada de gás (atmosfera)
saída dos gases de reação
Calor da parede
do forno
Termopar, indicador
da temperatura
Amostra é aquecida a uma razão linear enquanto não
ocorre variação de massa.
Quando a balança detecta variação de massa a
temperatura é mantida constante até novo “plateau”.
Este procedimento é repetido diversas vezes.
Tg2.swf
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TG isotérmica
Massa da amostra é registrada em função do tempo a
temperatura constante.
Normalmente aquecimento rápido até determinada
temperatura que é mantida constante.
Durante os processos térmicos, a amostra
deve liberar um produto volátil
Devido a processos
químicos ou físicos
-desidratação
-vaporização
-dessorção
-oxidação
-redução; etc.
Ou deve interagir com o gás da atmosfera no interior do forno
Resultando em processos
que envolvem ganho de
massa
Tg1.swf
-adsorção
-oxidação de metais
-oxidação de óleos
-etc
A partir desta temperatura (T f), a
substância Y é termicamente estável
O degrau bc, que corresponde a
difereça T f – T i (intervalo de reação),
permite obter dados quantitativos
sobre a variação de massa (∆m)
A temperatura onset (T onset)
corresponde ao início extrapolado
do evento térmico.
Definida pelo ponto de interseção da
linha de base extrapolada com a
tangente que passa pelo ponto de
inflexão da curva.
Os experimentos de variações
de massa de um dado material
em função da temperatura
são executados
mediante uma
termobalança
(associação forno-balança)
Deve permitir o trabalho sob as
mais diversas condições
experimentais, ex.:
CARACTERÍSTICAS DE CURVA TG
-Diferentes atmosferas gasosas;
-Misturas gasosas;
-Diferentes massas de amostras;
-Variáveis razões de aquecimento
-Condições isotérmicas
As curvas geradas fornecem
informações
Composição da amostra;
Estabilidade térmica da amostra;
Estab. dos compostos intermediários
Estab. dos compostos finais
Processo de decomposição térmica que ocorre em única etapa
X (sólido) Y (sólido) + Z (volátil)
Subs. X é termicamente estável entre
os pontos a e b
No ponto b, que corresponde a T i
(temperatura na qual as variações
acumuladas de massa totalizam o
valor que a balança é capaz de
detectar), inicia-se o processo de
perda de massa, com liberação do
composto volátil Z
No ponto c, que corresponde a T f
(temperatura na qual as variações
acumuladas de massa atingem o
valor máximo), a perda de massa é
finalizada com a liberação total do
volátil Z e o estabelecimento do
patamar que indica a completa
formação da substância Y.
A T onset é usada com o propósito de
comparação, visto que ela é mais
fácil de ser determinada do que T i.
De forma similar, a T endset
corresponde ao final extrapolado do
evento térmico.
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Termogravimetria Derivada (DTG)
DTG é a derivada primeira da curva TG.
Os “degraus” correspondentes às variações de massa da TG são
substituídos por picos que delimitam áreas proporcionais às variações
de massa.
A DTG expressa a derivada primeira da variação de massa (m) em
relação ao tempo (dm/dt) e é registrada em função da temperatura ou
do tempo.
dm/dt = f (T ou t)
Uma curva DTG não contém mais informações do que uma curva TG
apresenta os dados de forma diferente
DTG apresenta as informações de forma mais facilmente visualizável
“separa” os eventos
A curva DTG permite a pronta determinação de T pico
A área do pico sob a curva DTG é diretamente proporcional à variação
de massa
APLICAÇÕES DAS CURVAS DTG
Separação de Reações sobrepostas
Reações que ocorrem em uma mesma faixa de temperatura originam
curvas TG que consistem em uma perda de massa contínua
Curva (a): reação que ocorre numa única
etapa e numa estreita faixa de
temperatura
Curva (b): consiste de duas reações que
são parcialmente sobrepostas
Curva (c): representa duas reações, a
primeira ocorrendo lentamente (I) e que é
seguida por outra (II), que ocorre
rapidamente
Curva (d): série de reações secundárias
CARACTERÍSTICAS DE UMA CURVA DTG
Processo de perda de massa que ocorre em uma única etapa
X (sólido) Y (sólido) + Z (volátil)
Impressão digital
Comparação de curvas TG e DTG
O “degrau” bc da curva TG é
substituído por um pico bcd, que
delimita uma área proporcional à
variação de massa.
Os “plateaus” ab e de são
constantes porque dm/dt = 0
O ponto b corresponde a T i (começa
a liberar o volátil Z) e o ponto d a T f.
O ponto c corresponde ao máximo da
curva DTG, é a temperatude de pico
(T pico). Neste ponto que a massa está
variando mais rapidamente.
Devido às sutilezas enfatizadas pelas curvas DTG, de maneira geral,
estas podem ser características de um material novo, desconhecido
ou padrão.
No entanto, dois materiais podem apresentar eventos térmicos com
perda de massa ocorrendo, exatamente, na mesma faixa de
temperatura, o que não permite distingui-los, diferentemente do que
ocorre com uma técnica espectroscópica.
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Cálculo de Variações de Massa em Reações Sobrepostas
No caso de reações sobrepostas, algumas vezes é difícil localizar, na
curva TG, o ponto exato onde uma reação termina e a outra começa.
O uso do mínimo na curva DTG, por um procedimento de extrapolação,
permite determinar, de forma muito aproximada, a temperatura em que a
primeira reação termina e se inicia a segunda.
Os fatores que influenciam as curvas TG e DTG podem ser dividos
em duas categorias:
Instrumentais
Razão de aquecimento
Atmosfera do forno
Composição do cadinho
Geometria do porta amostra
Tamanho e forma do forno
Sensibilidade do mecanismo de registro
Características das amostras
Quantidade de amostra
Tamanho da partícula
Calor de reação
Natureza da amostra
Densidade de empacotamento
Condutividade térmica
FATORES INSTRUMENTAIS
Razão de aquecimento (β)
Para uma reação que ocorre em uma única etapa, de maneira geral,
observa-se, na curva TG, que:
a T onset medida quando se emprega razão de aquecimento alta é maior do
que quando se emprega razão de aquecimento baixa.
O mesmo é observado para valores de T endset na curva TG ou T pico na DTG
O intervalo de reação T f – T i também aumenta com β maior
Alguns fatores que afetam as curvas TG/DTG
Dada a natureza dinâmica da variação de temperatura da amostra para
originar curvas TG/DTG, fatores instrumentais e relacionados às
características da amostra podem influenciar a natureza, a precisão e
a exatidão dos resultados experimentais.
Deve-se conhecer as características, procedência ou o histórico da
amostra (como foi obtida, isolada, acondicionada ou armazenada) e
também deve-se estar ciente dos objetivos a serem atingidos.
Que vazão do gás deve ser utilizada?
Que razão de aquecimento deve ser usada?
Aquecimento na presença de gás ou sob atmosfera
autogerada?
Que influência tem a natureza do gás nos
processos térmicos?
Utiliza-se gás inerte ou reativo (oxidante, redutor) no forno?
Que tipo de porta amostra (cadinho) deve conter a amostra?
A composição do cadinho influenciará os resultados?
Qual a quantidade de amostra a ser utilizada?
Cuidado com materiais explosivos!!!!
Operador se pergunta:
A amostra deve ser pulverizada, cortada em pequenos pedaços ou não?
Que cuidados devem ser tomados com os voláteis liberados?
Atmosfera do forno
A escolha de um gás reativo ou inerte, sua pressão, e se a atmosfera vai
ser estática ou dinâmica depederá das características da amostra ou do
tipo de estudo.
De maneira geral as curvas TG/DTG são obtidas sob uma atmosfera
dinâmica.
Função de proteger o
compartimento da balança
dos voláteis liberados
durante a decomposição
térmica
Evitar a condensação desses
produtos nas partes frias do
sistema
Principalmente: haste de
sustentação do conjunto
formado por estribo e cadinho.
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É grande a influência causada no processo de decomposição térmica
pelo mesmo tipo de gás liberado na decomposição, quando este
está presente na atmosfera atuante no interior do forno.
Por exemplo:
Enquanto sob atmosfera de ar a decoposição térmica do CaCO 3 em
CO 2 e CaO ocorre entre 600 e 850 o C, sob atmosfera de CO 2 essa
mesma reação só ocorre entre 900 e 980 o C.
CARACTERÍSTICAS DA AMOSTRA
Massa da amostra
A ∆m é a mesma, apenas o
intervalo de reação é deslocado
para temperaturas maiores.
Dependendo das características entálpicas das reações é possível a
ocorrência de desvios pronunciados nas curvas TG.
De maneira geral:
Reações exotérmicas, o intervalo de temperatura em que ocorre a
perda de massa pode ser diminuído de forma significativa, quando
aumenta-se a massa.
Porque o calor liberado durante a reação de decomposição faz com
que a temperatura da amostra aumente mais rapidamente do que
a taxa de aquecimento do forno e esse aumento será um tanto
maior quanto maior for a massa de amostra.
Reações endotérmicas: o efeito é o contrário. O intervalo de
temperatura aumenta com o aumento da massa.
Aumenta-se a massa, aumenta a quantidade de calor necessária
para realizar a decomposição. A amostra vai “absorver” mais calor
para se decompor.
30,15 mg
6,33 mg
PRIMEIRA ETAPA
desidratação
CaC 2O 4.H 2O = H2O + CaC 2O 4
processo endotérmico independente
da atmosfera
deslocada para temperaturas
mais altas com o aumento da
massa de amostra
T pico = 198 o C, m = 6,33mg
T pico = 222 o C, m = 30,15 mg
Forma, tamanho e composição do cadinho
A utilização de cadinhos de forma alta ou baixa, com diferentes
capacidades, pode alterar o perfil das curvas TG/DTG
um raso e largo
estreito e profundo
Curvas TG/DTG envolvendo a etapa de desidratação de uma amostra de lactose
contendo a mesma massa de material disposta em dois tipos de cadinhos: um
raso e largo (a) e outro estreito e profundo (b).
Em ambos os casos, se o objetivo é detectar a presença de compostos
intermediários, ou seja, a separação de reações sobrepostas é
recomendada a utilização de massas pequenas.
Curvas TG/DTG de uma amostra de CaC 2O 4.H 2O obtidas sob atmosfera de
ar e com massa inicial (m i) de 6,33 mg e 30,15 mg.
T pico = 538 o C, m = 6,33 mg
T pico = 515 o C, m = 30,15 mg
6,33 mg
30,15 mg
6,33 mg
30,15 mg
SEGUNDA ETAPA
Decomposição térmica
CaC 2O 4 = CO + CaCO 3
processo exotérmico
CO reage com o O 2 da atmosfera
do forno e provoca o aumento da
temperatura da amostra
Este fato acelera a perda de massa e,
consequentemente, há uma diminuiçào no
intervalo de temperatura de reação com o
aumento da massa.
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6,33 mg
30,15 mg
T pico = 787 o C, m = 6,33 mg
T pico = 841 o C, m = 30,15 mg
Impulsão da atmosfera
A impulsão do gás de arraste no interior do forno sobre:
cadinho
suporte
amostra
TERCEIRA ETAPA
Decomposição térmica
CaCO 3 = CO 2 + CaO
processo endotérmico
Independente da atmosfera.
O intervalo de reação é deslocado
para T mais altas com o aumento da
massa da amostra.
Por exemplo: cadinho de 4g ganha 1,8 mg entre 25 e 200 o C e ganha 4,2
mg entre 25 e 1000 o C.
Medida de temperatura
podem provocar ganho de massa aparente
BRANCO!!!!!!!!!!
Dependendo do analisador termogravimétrico empregado, a diferença na
temperatura medida pode ser superior a 20 o C.
As influências estão relacionadas:
natureza da amostra
tamanho e empacotamento
geometria e configuração do forno
precisão e sensibilidade do sensor de temperatura
Apesar de a temperatura ser um parâmetro qualitativo em
termogravimetria, é recomendável a calibração deste parâmetro para o
bom funcionamento da instrumentação
Calibração do instrumento!!!
Tamanho da partícula ou Granulometria da amostra
De maneira geral, uma amostra que consiste em cristais grandes ou
partículas que possuem uma baixa relação área superficial/massa se
decompõe mais lentamente do que uma amostra de mesma massa, mas
que consiste de partículas muito pequenas.
Curvas TG de amostras de lactose: (a) amostra pulverizada;
(b) único cristal (β = 5 o C/min, m amostra cerca de 6 mg)
Três curvas TG obtidas com cadinho vazio, da temperatura ambiente
até 900 o C.
Curvas TG obtidas sob atmosfera dinâmica de ar e diferentes
razões de aquecimento, empregando como porta-amostra cadinho
de Pt vazio.
Pode-se observar um ganho de massa aparente a partir de 25 o C,
efeito mais pronunciado na curva TG obtida com razão de
aquecimento maior.
Flutuação de temperatura
A correta medida da temperatura em que ocorrem os eventos térmicos
depende da posição do sensor de temperatura (termopar) em relação
à amostra, uma vez que a temperatura da amostra poderá ser maior ou
menor do que a temperatura do forno.
A magnitude dessa diferença dependerá da natureza da reação (se
endo ou exotérmida), razão de aquecimento, condutividade térmica da
amostra, geometria do porta-amostra etc.
Posição do sensor pode ser alterada…
Reposição da peça, calibração
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Condensação de produtos liberados da amostra
pode ocorrer sobre o suporte ou
fio de sustentação do portaamostra
Este efeito pode conduzir ao aparecimento de imperfeições nas curvas
TG/DTG, no mesmo ensaio ou em ensaios posteriores, caso não
seja percebido.
Por exemplo, o condensado pode reevaporar ou sofrer decomposição
em uma temperatura mais alta, induzindo um perfil irreal das curvas
TG/DTG do material.
Outras considerações
Outros erros, tais como flutuação ao acaso ou ruído no mecanismo de
registro da balança, efeitos de indução do forno e efeitos
eletrostáticos
podem ser eliminados pelo
próprio projeto e construção da
termobalança
Locais com correntes de ar, proximidade de
aparelhos de ar-condicionado, por exemplo,
devem ser evitados
Sobre uma mesa apropriada para balança
microanalítica e em locais de fácil acesso para
instalação de linhas de gases
minimizados pela sua
localização no laboratório
Essa condensação será evitada ou minimizada durante os ensaios, caso
uma atmosfera fluente ou dinâmica seja empregada.
Se essa corrente gasosa não for agressiva para os componentes da
balança, ela deve passar pela cabeça da balança, impedindo que os
voláteis liberados dos processos de decomposição térmica atinjam estes
componentes.
A vazão e o tipo de atmosfera que deve fluir pelo sistema dependerão
dos objetivos a serem alcançados.
Atmosfera dinâmica (normalmente resolve ou evita)
Limpeza!!
Análise “vazio”
Se todos os fatores intrumentais ou relacionados às características da
amostra forem considerados, e as fontes de erros conhecidas e
minimizadas, as curvas TG/DTG refletirão de forma fiel os processo
químicos ou físicos ocorridos na amostra
Pode-se, então, buscar a interpretação das curvas com base:
fração da perda de massa
análise do resíduo (difração de raios X, espectros de absorção no
infravermelho, análise elementar, etc)
Aplicações da Termogravimetria Avaliação da estabilidade térmica
Na área de fármacos e medicamentos, a TG vem sendo largamente
utilizada, desde a década de 1980, no desenvolvimento dos mais
variados tipos de estudos para avaliar fenômenos físicos e químicos,
desde que estes estejam relacionados à variação de massa em função
da temperatura ou tempo.
detecção e análise dos produtos voláteis (empregando sistemas
acoplados a cromatografia gasosa, espectrometria de massa ou
espectrometria no infravermelho)
Determinação de umidade ou de outro solvende (adsorvido)
Determinação de água de cristalização
Estudos de cinética de degradação
Estudos de pré-formulação (interação fármaco excipiente)
Avaliação da equivalência composicional de medicamentos
Controle da qualidade de medicamentos e insumos farmacêuticos
Estabilidade à oxidação
etc
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