Въведение
Смолата, сложен въглероден материал, получен при дестилацията на органични вещества като каменовъглен катран или нефт, се използва широко в различни отрасли - от металургията до производството на въглеродни влакна. Разбирането на термичната стабилност и поведението при разлагане на смолата е от решаващо значение, тъй като тези свойства пряко влияят върху работата ѝ при високотемпературни приложения, като например производството на материали и композити на въглеродна основа.
Условия за измерване
В това проучване изследваме термичната стабилност на пробите от смола и провеждаме подробен газов анализ, за да разберем по-добре пътищата на разлагане и естеството на отделяните летливи вещества. Чрез тези анализи целим да изясним термичното поведение на смолата, като предоставим ценни данни, които могат да послужат както за разработване на нови материали, така и за подобряване на съществуващите промишлени процеси.
Измерването е извършено със системата NETZSCH PERSEUS® STA Jupiter®. Параметрите на измерването са описани подробно в таблица 1.
Таблица 1: Параметри на измерването
| Режим на пробата | TG-FT-IR |
|---|---|
| Скорост на нагряване | 10 K/min |
| Маса на пробата | 77.19 mg в 0,3-милиметров тигел от Al2O3 |
| Температурна програма | RT - 1000°C |
| Прочистваща газова атмосфера | 14% кислород в азот |
| Количество на прочистващия газ | 70 ml/min |
| Спектрален обхват на измерване | 4400 - 650 cm-1 |
| Разделителна способност | 4 cm-1 |
Резултати и обсъждане
От кривите на TGA и DTG беше установено, че в пробата от смола има четири стъпки на загуба на маса; вж. фигура 1. Първата стъпка на загуба на маса е открита между RT и 400 °C с промяна на масата от 11,1 %. Втората стъпка се наблюдава между 400°C и 450°C с промяна на масата от 35,5%. Третият интервал на загуба на маса между 450°C и 500°C доведе до промяна на масата с 21,8%. Четвъртата стъпка се наблюдава между 500°C и 1000°C с промяна на масата от 31,3%. Остатъчната маса възлиза на 0,2 %. Кривата DTG е производна от първи ред на кривата TGA, която отразява скоростта на загуба на маса. Пиковите температури на DTG за тези четири промени в масата се наблюдават при 386°C, 439°C, 455°C и 555°C.
Кривата на Грам Шмидт показва общата интензивност на инфрачервения спектър и се държи като огледален образ на скоростта на загуба на маса (DTG). Тя също така показва максималните интензитети по време на етапите на загуба на маса. Това доказва взаимодействието на отделените газове с инфрачервения лъч.
На фигура 2 е показана триизмерна графика на отделените газове от теста за свързване на TGA-FT-IR на смола във въздушна атмосфера между RT и 1000 °C. В софтуера OPUS на FT-IR устройството този кубичен дисплей на измерването може да се завърта във всички посоки, за да се получи точен изглед на регистрираните отделени газове.
От инфрачервените спектри на фигура 3 може да се предположи, че газообразните продукти на смолата при 400°C до 500°C включват главно отделянето на CH4,CO2, CO иH2O. Могат да се открият и следи от метанол и етен, алдехиди (значителна инфрачервена вибрация между 1600 и 1800 cm-1) и въглеводороди (значителна инфрачервена вибрация между 2700 и 3000 cm-1). Разбира се, отделят се и ароматни съединения. Те обаче не са идентифицирани тук. Това показва, че много алифатни и ароматни вещества се освобождават едновременно. Остатъчните продукти вероятно са дехидрогенирани и полимеризирани в дълговерижни макромолекули, които принадлежат към аеробния етап на термичен крекинг на асфалтовото свързващо вещество [1].
При 500°C до 700°C се приема, че това е етапът на горене на смолата в комбинация с резултатите от инфрачервения спектрален анализ на фигура 3. В сравнение с 300°C до 500°C може да се установи, че отделянето на неорганични газовеH2O,CO2, SO2 и CO се увеличава значително, но в същото време отделянето на органични съединения като CH4, алдехиди, C-C и C=C намалява значително или дори изчезва [2]. Това доказва, че с повишаване на температурата доминира реакцията на окисление.
Интегрирането на вълновите стойности на различните вещества или функционални групи позволи да се получи температурно зависимо освобождаване на веществото или функционалната група. На фигура 4 са показани TGA кривите на смолата и интеграционните криви на вълновите числа на три вещества и две функционални групи. Вижда се, че въглеводородите и алдехидите присъстват в първите три стъпки на загуба на маса, докато CO,CO2 и водата присъстват във всичките четири стъпки на загуба на маса; освен товаCO2 показва максималното си освобождаване в четвъртата стъпка на загуба на маса.
Таблица 2: Интегрални интервали на вълновите числа за различни вещества/функционални групи
| Вещества/функционална група | Интервал на интегралното вълново число |
| C-H (тъмно синьо) | 3200 - 2600 cm-1 |
| C=O (лилаво) | 1900 - 1600 cm-1 |
| CO2 (светлосиньо) | 2400 - 2250 cm-1 |
| H2O(черно) | 4000 - 3800 cm-1 |
| СО (маслина) | 2200 - 2000 cm-1 |
Заключение
Прилагането на техники за термичен анализ в комбинация с инфрачервена спектроскопия (FT-IR) в това изследване на материалите за смола е широкообхватно и задълбочено. TGA позволява измерване на изменението на масата на пробата при контролирани температурни процедури, което може да разкрие температурата на термично разлагане и съдържанието на летливи вещества в смолата.
В съчетание с FT-IR анализа, той може допълнително да идентифицира промените в молекулярната структура на смолата при различни температури, като образуване или разрушаване на функционални групи, като по този начин осигурява цялостна оценка на термичната стабилност и механизма на стареене, както и солидна теоретична основа и техническа подкрепа за задълбочените изследвания и иновативното развитие на смолните материали.