Introduktion
Metoderne til termogravimetri (TGA) er særligt velegnede til undersøgelse af forbrændingsprocesser. De giver mulighed for hurtige konklusioner vedrørende den termiske stabilitet af det mest faste brændsel samt reaktionstemperaturen og forbrændingskinetikken. Desuden kan både massetabet under en forbrændingsreaktion og indholdet af ikke-brændbar mineralsk aske kvantificeres. I modsætning til andre reaktioner som f.eks. NedbrydningsreaktionEn nedbrydningsreaktion er en termisk induceret reaktion af en kemisk forbindelse, der danner faste og/eller gasformige produkter. nedbrydning eller frigivelse af fugt eller opløsningsmidler er forbrænding en faststof-gas-reaktion. Derfor skal ikke kun alle de sædvanlige parametre som prøvemasse, opvarmningshastighed og rensegasflow holdes konstante, men måleresultaterne påvirkes også af prøveoverfladen, iltkoncentrationen og digelgeometrien, som alle kan begrænse reaktionsgassens adgang til den faste prøve.
For at undersøge dette spørgsmål blev der udført en række målinger med en NETZSCH STA ved hjælp af forskellige digelgeometrier under ellers identiske forhold. De forskellige digler er vist i figur 1 og 3; blandt dem er også en gennemboret DTA-digel, som er vist i en forstørret udgave i figur 2 [1].
De undersøgte carbon black-prøver er forskellige standardprøver såsom NIST 2975, Printex 90, aktivt kul og kulkugler. Disse har en diameter på ca. 1 mm til 2 mm og en uorganisk struktur. Den gennemsnitlige partikelstørrelse for pulverprøverne er angivet til mellem 20 nm og 50 nm.
Resultater
Til undersøgelsen af carbon black NIST 2975 blev de digeltyper, der er vist i figur 1, anvendt. Forholdet mellem diglens diameter og prøvernes fyldningsgrad (for samme prøvemasse) kan ses i figur 3 og tabel 1.
Tabel 1: Dimensioner på de digler, der er vist i figur 1
Dimensioner (mm) | Slip-on plade | Kort DTA digel | DTA digel | DTA digel, gennemboret | Mini DTA* |
|---|---|---|---|---|---|
| Ø udvendig | 10 | 8 | 8 | 8 | 5 |
| Ø indvendig | 10 | 6 | 6 | 6 | 4 |
*kun til sammenligning; denne smeltedigel er ikke en del af NETZSCH smeltedigel-produktsortimentet
Når man bruger ilt som spulegas, kan man allerede se small forskelle mellem de forskellige digelgeometrier med hensyn til forbrændingstemperaturen og forbrændingshastigheden (DTG) (figur 4).
Men hvis koncentrationen af ilt i spulegassen reduceres til 20 % (figur 5) eller 5 % (figur 6), ser digelgeometrien ud til at spille en stadig vigtigere rolle. Den gennemborede DTA-digel og slip-on-pladen giver tydeligvis bedre adgang for reaktionsgassens ilt til prøven. Men jo dårligere adgang reaktionsgassen har til den faste prøve, jo større er tendensen til, at reaktionen skifter til højere temperaturer, og jo lavere er reaktionshastigheden (DTG). Ved et nitrogen/oxygen-rensegasforhold på 95:5 er den gennemborede DTA-digel næsten lige så "hurtig" som slip-on-pladen. Med hensyn til reaktionsadfærd kommer den gennemborede DTA-digel (figur 2) og den korte DTA-digel tættest på slip-on-pladen, hvorved prøvehåndteringen for disse to digeltyper er betydeligt lettere end for slip-on-pladen.
Resultaternes afhængighed af iltindholdet i spulegassen er illustreret i figur 7.
Sammenligningen af forskellige typer carbon black viser betydelige forskelle mellem alle de karakteristiske værdier, der skal bestemmes, såsom Termisk stabilitetEt materiale er termisk stabilt, hvis det ikke nedbrydes under påvirkning af temperaturen. En måde at bestemme et stofs termiske stabilitet på er at bruge en TGA (termogravimetrisk analysator). termisk stabilitet, forbrændingstemperatur, forbrændingshastighed og restmasse (figur 8 og 9).
Konklusion
De præsenterede målinger viser, at digelgeometrien kan have en betydelig indflydelse på samspillet mellem prøven og spulegassen. Forbrændingsreaktionen af carbon black blev brugt her som et eksempel. Under ellers identiske målebetingelser, så længe den samme digeltype blev anvendt i en testserie, var det muligt at foretage en sammenlignende evaluering af prøverne. Effekten af de grundlæggende målebetingelser, herunder digeltypen, på reaktionshastigheden skal altid tages i betragtning, når der udføres kinetiske undersøgelser. I dette tilfælde viste slipon-pladen og den gennemborede digel sig at være velegnet.