Високоскоростна пещ

Въведение

Очакваното време за измерване - заедно с надеждността и значимостта на резултатите - често играе важна роля в почти всеки аналитичен въпрос. Колкото по-интензивно методите за анализ са свързани с производствените процеси, толкова по-важно става това. Докато при изследването и разработването на нови материали времето за измерване за характеризиране на свойствата се планира като нещо естествено, при анализа в процеса на производство капацитетът на производствените предприятия е този, който определя интервалите, през които трябва да се проверяват свойствата и качеството на продукта. Поради това анализите за осигуряване на качеството често трябва да се осъществяват on-line по време на производствения процес или поне трябва да е възможно да се извършват в рамките на няколко минути за контрол на случайни проби.

В миналото беше трудно да се обхванат тези области чрез термичен анализ, тъй като конвенционалните анализи отнемат от 30 минути до няколко часа в зависимост от програмата за измерване. Времето за измерване зависи преди всичко от материала, който трябва да се изследва, и/или от температурния диапазон, който трябва да се изследва за характерните свойства на материала. Решаващи параметри тук са и използваните скорости на нагряване и охлаждане. Те, от своя страна, зависят основно от конструктивното решение на пещите и аналитичните инструменти. И точно тук новоразработената високоскоростна пещ поставя нови стандарти.

При конвенционалните термоаналитични инструменти често се използват скорости на нагряване и охлаждане от 1 К/min до 20 К/min, докато потенциалният диапазон е от 0,001 К/min до 100 К/min; новата високоскоростна пещ, от друга страна, позволява скорости на нагряване до 1000 К/min. Скоростта на нагряване от 500 K/min вече намалява времето за измерване от стайна температура до 1000 °C до по-малко от две минути и по този начин увеличава неимоверно производителността на пробите.

Концепция

Новата високоскоростна пещ не изисква самостоятелен инструмент, а разширява утвърдената платформа 400 с още един тип пещ. Концепцията на платформата позволява оборудването на измервателния инструмент с двойно пещно повдигащо устройство за две пещи. По този начин високоскоростната пещ може да се монтира на двойното повдигащо устройство в комбинация с други пещи. Вместо втора пещ, за високоскоростната пещ може да се използва автоматичен пробовземач (ASC). Модулната гъвкавост и по-специално възможността за комбиниране на високоскоростната пещ с ASC спестява много време и по този начин директно води до увеличаване на производителността на пробите.

Следните типове пещи за серията инструменти STA 449F1 и STA 449 F3 вече са налични.

Настройка

Фигура 2 показва напречно сечение на високоскоростната пещ. Вижда се, че високоскоростната пещ не се различава от другите пещи от платформата 400 по отношение на основните конструктивни елементи, като измервателните глави, позицията на определяне на температурата на пробата, газовия поток и разделянето на камерите за пробата и за претегляне.

Голямото разнообразие от тигли и материали също може да се използва във високоскоростната пещ. Това гарантира идеална сравнимост на резултатите от изпитванията, дори когато са получени с различни типове пещи.

Действителният нагревателен елемент на високоскоростната пещ се състои от платинена мрежа, нагрявана чрез съпротивление. Защитната тръба отделя камерата за проби от външната страна и дава възможност за работа в чиста атмосфера на пробите чрез евакуация и заливане на камерата за проби.

Резултати от измерването

В допълнение към измерванията при високи скорости на нагряване, с високоскоростната пещ бяха проведени и измервания при конвенционални скорости на нагряване от 10 K/min и 20 K/min, за да се гарантира сравнимост на резултатите от изпитванията с тези, получени с помощта на други термоаналитични инструменти.

Представянето на измерената температура на пробата в зависимост от времето на фигура 3 показва линейни скорости на нагряване в диапазона от 10 K/min до 500 K/min.

По този начин се потвърди, че високоскоростната пещ не е необходимо да се ограничава до бързи скорости на нагряване, а е напълно способна да се справи и с по-конвенционални приложения.

Промяната на скоростта на нагряване при иначе идентични условия на изпитване измества резултатите към по-високи температури с увеличаване на скоростта на нагряване. Това е добре позната зависимост, която допълнително позволява кинетична оценка на измерените данни с помощта на специално разработения NETZSCH Thermokinetics софтуер.

Ако корелацията между изменението на скоростта на нагряване и влиянието върху измерените данни е известна и може да бъде описана математически, измерванията могат да бъдат извършени бързо, без да се налага да се отказвате от проследимостта на данните от измерванията до известни свойства на пробите, както е посочено например в годишниците на NETZSCH.

Като се използва пиролизата на полипропилен (PP) като пример, се посочва зависимостта на резултатите от скоростта на нагряване.

Фигура 4 първоначално показва, че няма съществени разлики в резултатите от измерванията, когато полипропиленът се изследва при идентични условия с помощта на два различни термогравиметрични инструмента (TG 209 F1 и STA 449 F1 ).

Това е забележително, тъй като еометрията на пещта, а следователно и условията на потока на продухващите газове са различни.

В допълнение към резултатите от относителното изменение на масата (TGA), на фигура 4 е показана неговата първа производна, т.е. скоростта на изменение на масата, като прекъснати линии (DTG). При оценяване на температурите за скорости на нагряване 10, 20, 50, 100, 200 и 500 K/min, при които скоростта на загуба на маса е максимална (минимум на кривата DTG), се получава зависимостта на пиролизата на пропилен от скоростта на нагряване. Това е представено на фигура 5.

Логаритмичното мащабиране на скоростите на нагряване дава права линия, както се вижда на фигура 6. Грешките, показани на фигури 5 и 6 в посока y, не показват реални грешки, а само доверителен интервал от ± 2,5 K.

Термичната обработка на калциев карбонат (CaCO3) води до реакция на разлагане при температури над 600 °C, при която се образуват калциев оксид (CaO) и въглероден диоксид (CO2) съгласно следното уравнение:

Докато твърдият CaO остава в тигела с пробата, CO2 и потокът от прочистващ газ напускат инструмента през изхода. Количеството на натрупания_CO2 може да се определи количествено като загуба на маса.

На фигура 7 са представени резултатите от серия от изпитвания, които са проведени при същите условия на измерване, както е описано за PP. Стъпките на загуба на маса не зависят от скоростта на нагряване; температурите на разлагане (минимумът на DTG) се изместват към по-високи температури с увеличаване на скоростта на нагряване.

Скоростта на загуба на маса се увеличава от 5,1 %/min до 128,8 %/min, когато скоростта на нагряване се увеличи от 10 K/min до 500 K/min (фигура 8).

Това показва, че влиянието на скоростта на нагряване върху резултатите от измерването следва проследим закон.

Тази зависимост е от решаващо значение за сравняването на резултатите от измерванията, които са определени при различни скорости на нагряване.

Материалите за продукти като спирачни накладки вече могат да се анализират при експлоатационни условия. По време на спиране кинетичната енергия се предава в топлина чрез триене. По този начин материалът може да бъде изложен на много високи температури в рамките на много кратък период от време.

Скоростта на нагряване от 500 K/min позволява аналитично да се възпроизведат тези екстремни работни условия (фигура 9).

Таблица 1: Технически данни на високоскоростната пещ

Технически данни Високоскоростна пещ

Резюме

Новата високоскоростна пещ представлява разширение на утвърдената платформа 400, което повишава нейния вече многостранен потенциал. Някои от тях включват възможността за комбиниране на високоскоростната пещ с други пещи в устройство с двойно повдигане или с автоматичен пробовземач (ASC). Съпоставимостта на резултатите от измерванията на високоскоростната пещ с тези на други термогравиметрични уреди беше демонстрирана с помощта на пиролиза на полипропилен като пример. Това е важна предпоставка за неограниченото използване на информационното съдържание на измерванията при скорости на нагряване до 500 K/min.

Зависимостта на резултатите от измерванията от изменението на скоростта на нагряване показва линейна корелация при логаритмично мащабиране на скоростта на нагряване. Поради това са възможни и сравнения с измервания при конвенционални скорости на нагряване. Самите стъпки на загуба на маса не зависят от промяната на скоростта на нагряване.

Освен това, като се използва термичното разлагане на CaCO3 като пример, беше ясно показано, че въпреки че скоростта на нагряване оказва влияние върху резултатите от измерванията, тя също така следва много проследим закон.

Следователно използването на бързи скорости на нагряване не води до загуба на информация, а фактът, че всяко измерване отнема само няколко минути, дава огромна печалба от време, която значително увеличава производителността на пробите, а оттам и ефективността на термоаналитичната апаратура.

Термогравиметричното изследване на спирачна накладка при 500 K/min позволи също така - в допълнение към значително увеличената производителност - за първи път да се анализират материали, които са изложени на екстремни термични условия, при работни условия.