Capítulo Preparación de muestras y técnicas de caracterización

Transcripción

1 Capítulo Preparación de muestras y técnicas de caracterización La caracterización de todo material requiere de diversas técnicas experimentales con el objeto de conocer sus propiedades. En el caso de los vidrios bajo estudio, describiremos las técnicas utilizadas en las mediciones, el método de preparación de muestras y el equipo correspondientes. Todas las mediciones fueron realizadas a temperatura ambiente con las técnicas correspondientes. La preparación de muestras a nivel laboratorio (figura 2) se lleva a cabo formulando primero las composiciones que se especifican en la tabla 5, donde se indica en qué proporción esta cada uno de los componentes en % en peso. Posteriormente se pesan los componentes de acuerdo a las formulaciones previamente obtenidas y se homogenizan con acetona. La homogenización debe ser muy buena para evitar estrías o defectos en el vidrio obtenido. La acetona tiende a volatilizarse y cuya función es homogenizar la muestra, el proceso de volatización requiere de 22 horas. Una vez llevado este proceso la muestra se coloca en un crisol de alta alúmina de la marca Coors para que los componentes que van a vitrificarse no produzcan una corrosión considerable en las paredes del crisol, también el crisol se cubre con una tapadera de alta alúmina. 30

2 Después de colocar el crisol correctamente en el horno se procede a programar el horno con una velocidad de calentamiento de 10 por minuto hasta 700 C permaneciendo 30 minutos, después de esa temperatura se continúa elevando hasta llegar a 1350 C para permanecer durante 60 minutos hasta que el vidrio alcance el acondicionamiento térmico que le corresponde. Una vez vitrificada la muestra se procede a tomar el crisol con unas pinzas y así efectuar el proceso de moldeo en un molde de bronce y darle un recocido final a la muestra de vidrio obtenido. Muestra V 2 O 5 BaO NaO V V V Tabla 5. Formulación teórica de los vidrios en % en peso. Figura 2. Proceso de elaboración del vidrio. 31

3 4.2 Difracción de Rayos X La difracción de rayos X es una técnica que se utiliza principalmente para identificar compuestos o fases cristalinas a través de sus patrones de difracción. La ecuación fundamental para estudiar la difracción de rayos X en un material es la ley de Bragg: 2d hkl sen = Siendo d hkl la distancia entre planos (hkl) de la red cristalina, es el ángulo de Bragg y la la longitud de onda de los rayos X. en un material (policristalino o en forma de polvo) irradiado con rayos X, el ángulo formado entre el haz difractado y el haz incidente es 2. Su difractograma consiste de una serie de picos, donde cada pico corresponde a los rayos X difractados por una familia específica de planos (hkl) en el espécimen. En un difractómetro, un detector de rayos X registra los ángulos 2 a los cuales el haz es difractado, dando un patrón de difracción característico. Para el presente estudio se realizó el análisis de rayos X de la siguiente forma: Se molió cada una de las muestras de vidrio en un mortero de ágata hasta tener la apariencia física de polvo, una vez molidas las muestras se colocan de una en una en un portamuestras especial de aluminio el cual es depositado en el difractómetro de marca Bruker D8, Modelo Advance (figura3), trabajando con la línea de cobre (Cu Kα, λ=1.5406å) para ser analizada. 32

4 Figura 3. Equipo de Difracción de Rayos X. 4.3 Análisis térmico Las técnicas de Análisis Térmico que utilizados son: Análisis Térmico Diferencial (ATD) y Análisis Térmico Gravimétrico (ATG). Los resultados del ATD se recogen en un diagrama en el que se registra diferencialmente, por comparación con una muestra inerte de referencia (consistente en -alúmina calcinada), la diferencia de temperatura entre la muestra estudiada y la de referencia en función de la temperatura de la muestra que se manifiesta por la aparición de efectos endotérmicos (evaporaciones, disociaciones gaseosas, descomposiciones, etc.) y exotérmicos (oxidaciones, desvitrificaciones, algunas transformaciones cristalinas, etc.). En el caso del ATG se detectan las pérdidas de peso en función de la temperatura que, como consecuencia de volatizaciones, desprendimientos gaseosos, oxidaciones, etc., experimenta la muestra durante su calentamiento. Ambos termogramas, ATD y ATG, constituyen una valiosa información complementaria entre sí y de relación entre éstos se extraen conclusiones más precisas sobre el tipo de transformaciones producidas. 33

5 Se empleó para nuestro análisis el equipo instrumental TA Instruments SDT 2960 (figura 4) con una razón de calentamiento de 10 C/min en intervalos de temperatura (20,1100 C), con un flujo de aire de 20 ml/min. Para realizar este análisis se molió cada una de las muestras en un mortero de ágata, hasta obtener un polvo muy fino como si fuese talco para posteriormente agregar una muy pequeña cantidad a un crisol de platino e introducirlo en el horno del instrumento y efectuar la corrida. Figura 4. Equipo para la obtención de estudios de ATD. 4.4 Espectroscopia de Infrarrojo La espectroscopia de infrarrojo (IR) es un método de estudio de sustancias en el estado gaseoso, líquido o sólido (tanto cristalinas como amorfas) a base de su espectro de absorción o reflexión del rango IR del espectro de IR de determinados grupos funcionales que puede presentar una molécula: con el espectro de infrarrojo se puede saber fácilmente el tipo de compuesto (grupo OH, grupo amina, grupo TeO 4, TeO 3, etc.), y con un análisis detallado de este y su comparación con otros espectros catalogados, se puede en muchos casos elucidar completamente la estructura de la molécula. Del mismo modo que el vidrio es un objeto de muy distintos requerimientos ópticos con respecto a la radiación UV, en el caso de la radiación IR es muy necesario poder disponer de 34

6 diferentes tipos de vidrios que se comporten, unos absorbentes de dicha radiación y otros que, opuestamente, sean altamente transparentes a ella. El intervalo de mayor interés dentro de esta amplia región espectral es el que queda comprendido entre los 780 nm que marcan la frontera con la zona visible y los nm que fijan el límite superior del infrarrojo próximo. Para la obtención de los espectros de IR se prepararon cada una de las muestras de la siguiente manera: Se mezcló 100 mg de KBr (Bromuro de potasio) con 1 mg de muestra en forma de polvo bien molido previamente en un mortero de ágata, el KBr y la muestra se mezclan y se transfieren a un troquel con cámara de vacío que permite eliminar el aire o fluido entre granos y obtener una pastilla comprimida entre kg/cm 2. La pastilla se coloca en un espectrofotómetro FTIR marca Perkin-Elmer, Modelo GX para realizar la medida en el rango ( ) cm -1. Figura 5. Equipo para la realización de IR. 4.5 Espectroscopía de Fotoelectrones de Rayos X La espectroscopía XPS permite detectar y analizar los fotoelectrones emitidos por los átomos de una capa muy delgada de pocos angstroms de espesor cuando se bombardea con rayos X blandos. Así se obtiene un espectro de energía de los electrones correspondientes a los diferentes niveles atómicos característicos de cada elemento y es posible identificar éstos. Las intensidades de los 35

7 picos resultantes son proporcionales a la concentración de cada elemento en la capa analizada. A diferencia de otras técnicas, la de XPS permite diferenciar entre oxígenos puente y oxígenos no puente. Por otra parte, debido a que analiza capas muy delgadas, puede detectar los cambios de composición superficial producidos desde los primeros instantes del ataque químico. La muestra previamente molida en mortero de ágata se coloca en un porta muestras con cavidad con un trozo de cinta de carbono en el fondo y se retira el excedente para proceder a pasarlo al equipo PHI 5100 marca Perkin-Elmer con Analizador semiesférico con una fuente bimetálica de magnesio-aluminio a una potencia de 15 Kv y 300 W en un filamento de tungsteno con una condición de vacío de 3x10-8 mm Hg (Figura 6). Figura 6. Equipo para la realización de estudios de XPS. 36