Introduktion
Varmebehandling af forskellige materialer kan føre til frigivelse af ammoniak, som har en aggressiv lugt og kan angribe bronkiesystemet. Ammoniakafgivelse kan forårsages af en række forskellige processer. De spænder fra termisk NedbrydningsreaktionEn nedbrydningsreaktion er en termisk induceret reaktion af en kemisk forbindelse, der danner faste og/eller gasformige produkter. nedbrydning af salte til røg fra afbrænding af tobak og fra PyrolysePyrolyse er den termiske nedbrydning af organiske forbindelser i en inert atmosfære.pyrolyse af polymerer som polyamider (PA) og fremstilling af plastskum, der kræver blæsemidler. Et almindeligt kendt produkt i sidstnævnte kategori er yogamåtter. Frigivelse af ammoniak kan skabe fint støv ved at reagere med svovlsyre og salpetersyre, når der er dannet salte. I miljøet kan frigivelse af ammoniak føre til forsuring af jorden. En af de vigtigste kilder til ammoniak i miljøet er landbruget, især gødskning med møg- og kvælstofholdig mineralsk gødning.
Af denne grund har kvantificeringen af frigivet ammoniak været vigtig i mange sammenhænge. Den temperaturafhængige frigivelse af ammoniak kan let påvises via TGA-FT-IR-kobling. For at kvantificere den frigivne ammoniakdel er det nødvendigt med en kalibreringskurve med en kendt koncentration af ammoniak. En egnet forbindelse til dette er ammoniumbikarbonat, fordi det frigiver ammoniak i et støkiometrisk forhold ud over frigivelsen af vand og kuldioxid; se ligning (1). Der produceres kun gasformige forbindelser:
(1) NH4HCO3->NH3 + H2O+ CO2
Sådan genereres kalibreringskurven
En NETZSCH PERSEUS® TG 209 F1 Libra® blev brugt til at udføre denne undersøgelse. Opvarmningen af ammoniumbicarbonat resulterede i fuldstændig NedbrydningsreaktionEn nedbrydningsreaktion er en termisk induceret reaktion af en kemisk forbindelse, der danner faste og/eller gasformige produkter. nedbrydning ved 200 °C, med en top i massetabet ved 127 °C (baseret på målebetingelserne i tabel 1).
Tabel 1: Målebetingelser for generering af kalibreringskurven
| Parameter | NH4HCO3 | |||
| Temperaturprogram | RT - 200°C, 5 K/min | |||
| Flowhastighed | 40 ml/min | |||
| Prøveholder | Standard prøvebærer | |||
| Gasatmosfære | Kvælstof | |||
| Digel | Al2O3 (85 μl) åben | |||
| Masse af prøve | 5.31 mg | 10.16 mg | 15.01 mg | 20.50 mg |
I forbindelse med massetabet blev der påvist frigivelse af IR-aktive gasser; se figur 1.
Figur 2 viser det målte FT-IR-spektrum ved 130 °C (grøn) i sammenhæng med biblioteksspektrene for ammoniak (oliven), vand (blå) og kuldioxid (rød). Den temperaturafhængige frigivelse af disse forbindelser blev plottet som spor i figur 1. Disse spor blev skabt ved at integrere de farvede områder (se figur 2) i FT-IR-spektrene for hver forbindelse over hele temperaturområdet. Disse områder af FT-IR-spektrene var separate for NH3 (898 cm-1 - 981 cm-1),CO2 (2200 cm-1 - 2450 cm-1) ogH2O(3793 cm-1 - 4001 cm-1), og der var ingen overlapning med områder fra andre forbindelser.
Tabel 2 viser de støkiometrisk beregnede mængder af de frigivne gasser i forhold til prøvemassen af ammoniumbicarbonat.
Derfor kan områderne under sporene af NH3,CO2 ogH2Oi figur 1 relateres til mængden af de frigivne gasser; sammenlign ligning (1). Dette fører til kalibreringskurver for NH3,CO2 ogH2O, hvor det detekterede område under sporene er relateret til mængden af frigivet gas; se figur 3. Da FT-IR kun har et lineært område på small, resulterer dette i polynomiske ligninger for alle tre gasformige molekyler med determinationskoefficienter (R2) meget tæt på 1. I denne undersøgelse blev hver prøvemasse kun målt én gang. Gentagne målinger eller flere datapunkter ville føre til endnu større nøjagtighed i trendlinjen.
Tabel 2: Prøvemasse og resulterende støkiometriske mængder af udviklet gas
| m (NH4HCO3) [mg] | m (CO2) [mg] | m (NH3) [mg] | m (H2O) [mg] |
| 5.31 | 2.96 | 1.14 | 1.21 |
| 10.16 | 5.66 | 2.19 | 2.31 |
| 15.01 | 8.36 | 3.23 | 3.42 |
| 20.50 | 11.42 | 4.41 | 4.67 |
Sådan tester du kalibreringskurvens nøjagtighed
Nøjagtigheden af kalibreringskurven blev kontrolleret med en anden måling på NH4HCO3 med en defineret prøvemasse på 15,22 mg. De teoretiske mængder af NH3,CO2 ogH2Oblev sammenlignet med de beregnede værdier af NH3,CO2 ogH2Oved hjælp af kalibreringskurven. Det gav fejlværdier på mellem 0,8 % for NH3 og 4,9 % forH2O, se tabel 3.
Undersøgelse af et blæsemiddel - teori i praksis
I næste trin kan de opnåede og verificerede kalibreringskurver bruges til at kvantificere frigivelsen af ukendte mængder af de kalibrerede gasser.
Azodicarbonamid bruges som blæsemiddel til fremstilling af polymerskum (for struktur, se figur 4). Det anvendes til fremstilling af PVC-skum og EVA-PE-skum, hvor det danner bobler ved NedbrydningsreaktionEn nedbrydningsreaktion er en termisk induceret reaktion af en kemisk forbindelse, der danner faste og/eller gasformige produkter. nedbrydning ved forarbejdningstemperaturer, da det frigiver N2, CO,CO2 og NH3. Vinylskum er let at komprimere og har en høj og hurtig gendannelse, så det omtales ofte som "fjedrende". Det klæber også til glatte overflader. Af denne grund bruges det til tæppeunderlag, gulvmåtter og yogamåtter.
Polymerer, som dette blæsemiddel blev brugt til, må ikke komme i kontakt med vand. NH3 og vand kan danne NH4OHog kan korrodere omgivelserne. Af denne grund er kvantificeringen af ammoniak fra dette blæsemiddel af stor interesse.
Tabel 3: Fejlbestemmelse, sammenligning af teoretiske og beregnede mængder
Teoretisk (mg) | Beregnet (mg) | Fejl (%) | |
| m (NH4HCO3) | 15.22 | ||
| m (NH3) | 3.28 | 3.30 | 0.801 |
| m (CO2) | 8.48 | 8.76 | 3.28 |
| m (H2O) | 3.47 | 3.31 | 4.86 |
En prøve på 5,25 mg azodicarbonamid blev opvarmet til 400 °C ved 5 K/min i en nitrogenatmosfære. Det resulterende termogram kan ses i figur 5. I alt blev der observeret tre massetabstrin på 56,5 %, 11,5 % og 29,6 % med toppe i DTG-kurven ved 219 °C, 245 °C og 304 °C. Sporene afCO2 og NH3 blev skabt på samme måde som for NH4HCO3 i figur 1 og er afbildet i rød og oliven. Dette viser, at bådeCO2 og NH3 blev frigivet under de forskellige massetabstrin og ikke kan kvantificeres ved hjælp af TGA-trinene alene. For at kvantificere denne forbindelse er det nødvendigt med data fra den udviklede gasanalyse. Beregningen af frigivet ammoniak ved hjælp af kalibreringskurven resulterede i 0,22 mg NH3 (4 %). Mængden af frigivetCO2 kan også beregnes på samme måde og resulterede i 2,78 mg (53 %). Denne viden er værdifuld for fremstillingsprocessen for at sikre, at hele mængden af blæsemidlet frigives under opskumningen. Hvis small forbliver spor i produktet, er temperaturer på mere end 219 °C nødvendige for at igangsætte yderligere frigivelse.
Konklusion
Kombinationen af termogravimetri og infrarød spektroskopi er en velegnet metode til at påvise frigivelse af permanente gasser, f.eks. vand, kuldioxid og ammoniak. Det er ikke kun identifikationen, men også kvantificeringen, der kan være af interesse her. Til dette formål skal der genereres en kalibreringskurve med et kendt materiale. I dette eksempel opfylder ammoniumbikarbonat disse krav perfekt. Kalibreringskurver kan oprettes samtidigt forH2O,CO2 og NH3 ved at nedbryde tre forskellige portioner af NH4HCO3. De afvigelser, der skulle undersøges, blev bestemt ved en femte måling. Med dette præparat var det muligt at identificere og kvantificere ukendte mængder NH3 ogCO2 fra blæsemidlet azodicarbonamid, der anvendes til polymerskum.