Analisi termica: TGA e DSC spiegate

L’analisi termica studia come un materiale cambia al variare della temperatura: quanto perde di peso, quando fonde, quando si decompone, quanta energia assorbe o rilascia. Le sue due tecniche principali — la termogravimetria (TGA) e la calorimetria differenziale a scansione (DSC) — sono strumenti quotidiani nel controllo qualità di polimeri, prodotti farmaceutici, alimenti e materie prime.

Vediamo che cosa misura ciascuna, come si legge una curva termogravimetrica, e che cosa rivelano su umidità, stabilità e composizione di un materiale.

Che cosa misurano TGA e DSC

Le due tecniche guardano fenomeni diversi mentre il campione viene riscaldato in modo controllato:

La curva termogravimetrica

La TGA produce una curva di massa residua (in %) in funzione della temperatura. Ogni “gradino” verso il basso è una perdita di massa dovuta a un evento: l’evaporazione di umidità o solventi a bassa temperatura, la decomposizione del materiale a temperature più alte, fino al residuo finale (ceneri, cariche inorganiche).

Come si quantifica una perdita

L’altezza di ogni gradino si traduce direttamente in una percentuale di massa persa:

perdita di massa (%) = m₀ − mm₀ × 100

dove m₀ è la massa iniziale e m quella dopo l’evento. Così la TGA misura, ad esempio, il contenuto di umidità di una materia prima, la quantità di carica in un polimero o la frazione di sostanza volatile in un prodotto. La derivata della curva (la cosiddetta DTG) aiuta inoltre a separare eventi che si sovrappongono, evidenziando come picchi le temperature alle quali la perdita di massa è più rapida.

Che cosa rivela la TGA

• Umidità e solventi residui: il primo gradino a bassa temperatura;
• Stabilità termica: a quale temperatura il materiale inizia a degradarsi;
• Composizione: rapporto tra parte organica (che si decompone) e residuo inorganico (ceneri, cariche);
• Confronto tra lotti: una curva diversa dal riferimento segnala un materiale fuori specifica.

La DSC: le transizioni senza perdita di peso

Molti eventi importanti non cambiano la massa e quindi sfuggono alla TGA: la fusione, la cristallizzazione, la transizione vetrosa (Tg) dei polimeri, le reazioni chimiche. La DSC li rivela misurando il calore scambiato: appaiono come picchi (eventi endo- o esotermici) o come gradini nella linea di base. È fondamentale per caratterizzare polimeri e principi attivi (ad esempio per distinguerne le forme cristalline, i polimorfi).

Il ruolo dell’atmosfera e della rampa

I risultati dell’analisi termica dipendono dalle condizioni: l’atmosfera (inerte come l’azoto, oppure ossidante come l’aria) cambia il modo in cui il materiale si decompone, e la velocità di riscaldamento sposta le temperature degli eventi. Per confrontare lotti o laboratori, queste condizioni devono essere identiche e specificate nel metodo.

TGA e DSC a confronto

Le due tecniche rispondono a domande diverse e spesso si usano insieme. Questo schema riassume che cosa rileva ciascuna:

Nella DSC gli eventi che assorbono calore (fusione, evaporazione) si dicono endotermici, quelli che lo liberano (cristallizzazione, molte decomposizioni e ossidazioni) esotermici. L’area del picco è proporzionale al calore in gioco, quindi la DSC non dice solo a che temperatura avviene un evento, ma anche quanta energia comporta: un dato chiave per caratterizzare polimeri e principi attivi.

Applicazioni nel controllo qualità

L’analisi termica è trasversale a molti settori, e in ciascuno risponde a domande precise:

• Polimeri e plastiche: contenuto di carica inorganica (dal residuo TGA), stabilità termica, temperatura di fusione e transizione vetrosa (DSC) per verificare lavorabilità e conformità del materiale;
• Farmaceutico: contenuto di solvente o acqua di cristallizzazione, purezza stimata dal profilo di fusione e — cruciale — identificazione dei polimorfi, le diverse forme cristalline dello stesso principio attivo, che possono avere efficacia e stabilità diverse;
• Alimentare: umidità, contenuto di grassi e stabilità all’ossidazione;
• Accettazione materie prime: confronto rapido della curva di un lotto con quella di riferimento per intercettare sostituzioni o contaminazioni.

In tutti questi casi il valore della tecnica sta nella combinazione di poca quantità di campione richiesta e ricchezza di informazione: con pochi milligrammi si ottiene un quadro completo del comportamento termico del materiale.

Analisi termica e conformità

Contenuto di umidità, stabilità termica, composizione e forma polimorfa sono parametri che entrano in specifiche di prodotto e capitolati, soprattutto in ambito polimerico e farmaceutico. La TGA è inoltre un modo rapido per verificare la coerenza di una materia prima con quanto dichiarato dal fornitore.

Domande frequenti

Qual è la differenza tra TGA e DSC?

La TGA misura quanto peso perde un campione scaldandolo (utile per umidità, decomposizione, residuo); la DSC misura il calore scambiato e rivela transizioni senza perdita di peso, come la fusione o la transizione vetrosa. Spesso si usano insieme.

Che cos’è la transizione vetrosa (Tg)?

È la temperatura a cui un polimero passa da rigido e vetroso a gommoso e flessibile. Non comporta perdita di massa, quindi si rileva con la DSC: è un parametro chiave per la lavorabilità e l’uso di un materiale plastico.

A che cosa serve conoscere il residuo della TGA?

Il residuo a fine analisi rappresenta la parte inorganica non volatile (ceneri, cariche minerali): permette di stimare la composizione del materiale e di verificare, ad esempio, la quantità di carica in un polimero rispetto alla specifica.

Perché l’atmosfera è importante?

Perché determina come il materiale reagisce al calore: in azoto si osserva la decomposizione termica pura, in aria anche l’ossidazione. La stessa sostanza può dare curve diverse nelle due atmosfere, quindi va sempre dichiarata.

Quanta sostanza serve per un’analisi?

Pochi milligrammi: TGA e DSC lavorano su quantità molto piccole, il che è un vantaggio quando il campione è limitato. La massa va però mantenuta confrontabile tra le misure per avere curve paragonabili.