Úvod
Smola, složitý uhlíkatý materiál získaný destilací organických látek, jako je uhelný dehet nebo ropa, se široce používá v různých odvětvích od metalurgie až po výrobu uhlíkových vláken. Pochopení tepelné stability a rozkladného chování dehtu má zásadní význam, protože tyto vlastnosti přímo ovlivňují jeho výkon při vysokoteplotních aplikacích, jako je výroba materiálů na bázi uhlíku a kompozitů.
Podmínky měření
V této studii zkoumáme tepelnou stabilitu vzorků dehtu a provádíme podrobnou analýzu plynů, abychom lépe pochopili způsoby rozkladu a povahu uvolňovaných těkavých látek. Prostřednictvím těchto analýz se snažíme objasnit tepelné chování dehtu a poskytnout cenné údaje, které mohou být podkladem pro vývoj nových materiálů i pro zdokonalení stávajících průmyslových procesů.
Měření bylo provedeno pomocí systému NETZSCH PERSEUS® STA Jupiter®. Parametry měření jsou podrobně uvedeny v tabulce 1.
Tabulka 1: Parametry měření
| Režim vzorkování | TG-FT-IR |
|---|---|
| Rychlost ohřevu | 10 K/min |
| Hmotnost vzorku | 77.19 mg v kelímku Al2O3 o objemu 0,3 ml |
| Teplotní program | RT - 1000 °C |
| Proplachovací plynová atmosféra | 14% kyslík v dusíku |
| Množství proplachovacího plynu | 70 ml/min |
| Spektrální rozsah měření | 4400 - 650 cm-1 |
| Rozlišení | 4 cm-1 |
Výsledky a diskuse
Z křivek TGA a DTG bylo zjištěno, že ve vzorku smoly dochází ke čtyřem stupňům úbytku hmotnosti; viz obrázek 1. První krok úbytku hmotnosti byl zjištěn mezi RT a 400 °C se změnou hmotnosti 11,1 %. Druhý krok nastal mezi 400 °C a 450 °C se změnou hmotnosti 35,5 %. Třetí interval úbytku hmotnosti mezi 450 °C a 500 °C vedl ke změně hmotnosti o 21,8 %. Čtvrtý krok byl pozorován mezi 500 °C a 1000 °C s hmotnostní změnou 31,3 %. Zbytková hmotnost činila 0,2 %. Křivka DTG je derivací křivky TGA prvního řádu, která odráží rychlost úbytku hmotnosti. Teplotní vrcholy DTG pro tyto čtyři hmotnostní změny se vyskytují při 386 °C, 439 °C, 455 °C a 555 °C.
Gramova Schmidtova křivka zobrazuje celkovou intenzitu infračerveného záření a chová se jako zrcadlový obraz rychlosti úbytku hmoty (DTG). Ukazuje také maximální intenzity během kroků úbytku hmoty. To dokazuje interakci vyvíjených plynů s IR paprskem.
Obrázek 2 ukazuje 3D graf vylučovaných plynů ze zkoušky TGA-FT-IR vazby smoly ve vzduchové atmosféře mezi RT a 1000 °C. V softwaru OPUS zařízení FT-IR lze toto krychlové zobrazení měření otáčet ve všech směrech a získat tak přesné zobrazení zaznamenaných uvolněných plynů.
Z infračervených spekter na obrázku 3 lze předpokládat, že plynné produkty smoly při teplotách 400 °C až 500 °C zahrnují především uvolňování CH4,CO2, CO aH2O. Byly rovněž zjištěny stopy methanolu a ethenu, aldehydů (výrazné IR VibraceMechanický proces kmitání se nazývá vibrace. Vibrace je mechanický jev, při kterém dochází ke kmitání kolem rovnovážného bodu. V mnoha případech je kmitání nežádoucí, plýtvá energií a vytváří nežádoucí zvuk. Nežádoucí jsou například vibrační pohyby motorů, elektromotorů nebo jakéhokoli mechanického zařízení v provozu. Takové vibrace mohou být způsobeny nerovnováhou rotujících částí, nerovnoměrným třením nebo zasekáváním zubů ozubených kol. Pečlivé konstrukce obvykle minimalizují nežádoucí vibrace.vibrace mezi 1600 a 1800 cm-1) a uhlovodíků (výrazné IR VibraceMechanický proces kmitání se nazývá vibrace. Vibrace je mechanický jev, při kterém dochází ke kmitání kolem rovnovážného bodu. V mnoha případech je kmitání nežádoucí, plýtvá energií a vytváří nežádoucí zvuk. Nežádoucí jsou například vibrační pohyby motorů, elektromotorů nebo jakéhokoli mechanického zařízení v provozu. Takové vibrace mohou být způsobeny nerovnováhou rotujících částí, nerovnoměrným třením nebo zasekáváním zubů ozubených kol. Pečlivé konstrukce obvykle minimalizují nežádoucí vibrace.vibrace mezi 2700 a 3000 cm-1). Uvolňují se samozřejmě také aromatické sloučeniny. Ty zde však nejsou identifikovány. To naznačuje, že se uvolňuje mnoho alifatických a aromatických látek současně. Zbytkové produkty jsou pravděpodobně dehydrogenovány a polymerizovány na makromolekuly s dlouhým řetězcem, které patří do aerobní fáze tepelného krakování asfaltového pojiva [1].
Při teplotách 500 °C až 700 °C se v kombinaci s výsledky infračervené spektrální analýzy na obrázku 3 předpokládá, že se jedná o fázi spalování dehtu. V porovnání s teplotami 300 °C až 500 °C lze zjistit, že se výrazně zvýšilo uvolňování anorganických plynůH2O,CO2, SO2 a CO, ale zároveň se výrazně snížilo nebo dokonce vymizelo uvolňování organických sloučenin, jako jsou CH4, aldehydy, C-C a C=C [2]. To dokazuje, že s rostoucí teplotou převažuje oxidační reakce.
Integrací vlnočtů různých látek nebo funkčních skupin bylo možné získat teplotně závislé uvolňování látky nebo funkční skupiny. Obrázek 4 ukazuje TGA křivky smoly a integrační křivky vlnočtů tří látek a dvou funkčních skupin. Je vidět, že uhlovodíky a aldehydy jsou přítomny v prvních třech stupních úbytku hmotnosti, zatímco CO,CO2 a voda jsou přítomny ve všech čtyřech stupních úbytku hmotnosti; dáleCO2 vykazuje své maximum uvolňování ve čtvrtém stupni úbytku hmotnosti.
Tabulka 2: Intervaly integrálního vlnového čísla pro různé látky/funkční skupiny
| Látky/funkční skupina | Rozsah integrálního vlnového čísla |
| C-H (tmavě modrá) | 3200 - 2600 cm-1 |
| C=O (fialová) | 1900 - 1600 cm-1 |
| CO2 (světle modrá) | 2400 - 2250 cm-1 |
| H2O(černá) | 4000 - 3800 cm-1 |
| CO (olivová) | 2200 - 2000 cm-1 |
Závěr
Použití technik termické analýzy v kombinaci s infračervenou spektroskopií (FT-IR) v této studii smolných materiálů je rozsáhlé a důkladné. TGA umožňuje měření změny hmotnosti vzorku při řízených teplotních postupech, což může odhalit teplotu tepelného rozkladu a obsah těkavých látek ve smolinci.
V kombinaci s FT-IR analýzou může dále Identify změny v molekulární struktuře dehtu při různých teplotách, jako je vznik nebo rozpad funkčních skupin, čímž poskytuje komplexní posouzení tepelné stability a mechanismu stárnutí a také solidní teoretický základ a technickou podporu pro hloubkový výzkum a inovativní vývoj materiálů z dehtu.