Introduktion
Beg, et komplekst kulstofholdigt materiale, der stammer fra destillation af organiske stoffer som stenkulstjære eller olie, bruges i vid udstrækning i industrier, der spænder fra metallurgi til kulfiberproduktion. Det er vigtigt at forstå den termiske stabilitet og nedbrydningsadfærd af beg, da disse egenskaber har direkte indflydelse på dets ydeevne i højtemperaturanvendelser, såsom fremstilling af kulstofbaserede materialer og kompositter.
Målebetingelser
I denne undersøgelse udforsker vi den termiske stabilitet af begprøver og udfører detaljerede gasanalyser for bedre at forstå nedbrydningsvejene og arten af de flygtige arter, der frigives. Gennem disse analyser forsøger vi at belyse den termiske opførsel af beg, hvilket giver værdifulde data, der kan informere både udviklingen af nye materialer og forbedringen af eksisterende industrielle processer.
Målingen blev udført med et NETZSCH PERSEUS® STA Jupiter® system. Måleparametrene er beskrevet i tabel 1.
Tabel 1: Måleparametre
| Prøvetilstand | TG-FT-IR |
|---|---|
| Opvarmningshastighed | 10 K/min |
| Masse af prøve | 77.19 mg i en 0,3 ml Al2O3 digel |
| Temperaturprogram | RT - 1000°C |
| Atmosfære af udrensningsgas | 14 % ilt i nitrogen |
| Mængde af udrensningsgas | 70 ml/min |
| Spektralt måleområde | 4400 - 650 cm-1 |
| Opløsning | 4 cm-1 |
Resultater og diskussion
Ud fra TGA- og DTG-kurverne blev det konstateret, at der var fire massetabstrin i pitch-prøven; se figur 1. Det første massetabstrin blev registreret mellem RT og 400 °C med en masseændring på 11,1 %. Det andet trin fandt sted mellem 400 °C og 450 °C med en masseændring på 35,5 %. Det tredje massetabsinterval mellem 450 °C og 500 °C resulterede i en masseændring på 21,8 %. Det fjerde trin blev observeret mellem 500 °C og 1000 °C med en masseændring på 31,3 %. Restmassen udgjorde 0,2 %. DTG-kurven er den første ordens afledning af TGA-kurven, som afspejler massetabshastigheden. DTG-toptemperaturerne for disse fire masseændringer forekommer ved 386 °C, 439 °C, 455 °C og 555 °C.
Gram Schmidt-kurven viser de samlede IR-intensiteter og opfører sig som et spejlbillede af massetabshastigheden (DTG). Den viser også maksimale intensiteter under massetabstrin. Dette beviser, at de udviklede gasser interagerer med IR-strålen.
Figur 2 viser en 3D-graf over den udviklede gas fra TGA-FT-IR-koblingstesten af pitch under luftatmosfære mellem RT og 1000 °C. I FT-IR-enhedens OPUS-software kan denne terningvisning af målingen drejes i alle retninger for at få en nøjagtig visning af de registrerede frigivne gasser.
Det kan antages ud fra de infrarøde spektre i figur 3, at de gasformige produkter af beg ved 400 °C til 500 °C hovedsageligt omfatter frigivelse af CH4,CO2, CO ogH2O. Spor af methanol og ethen, aldehyder (signifikant IR-vibration mellem 1600 og 1800 cm-1) og kulbrinter (signifikant IR-vibration mellem 2700 og 3000 cm-1) kunne også påvises. Naturligvis frigives der også aromatiske forbindelser. De er dog ikke identificeret her. Dette indikerer, at mange alifatiske og aromatiske stoffer frigives på samme tid. Restprodukterne er sandsynligvis dehydreret og polymeriseret til langkædede makromolekyler, som hører til den aerobe termiske krakningsfase af asfaltbindemiddel [1].
Ved 500 °C til 700 °C antages det at være forbrændingsfasen for beg i kombination med resultaterne af den infrarøde spektralanalyse i figur 3. Sammenlignet med 300 °C til 500 °C kan det konstateres, at frigivelsen af uorganiske gasserH2O,CO2, SO2 og CO steg markant, men samtidig faldt frigivelsen af organiske forbindelser som CH4, aldehyder, C-C og C=C markant eller forsvandt endda [2]. Dette beviser, at oxidationsreaktionen dominerer, når temperaturen stiger.
Ved at integrere bølgetallene for forskellige stoffer eller funktionelle grupper var det muligt at opnå en temperaturafhængig frigivelse af stoffet eller den funktionelle gruppe. Figur 4 viser TGA-kurverne for beg og kurverne for integration af bølgetal for tre stoffer og to funktionelle grupper. Det kan ses, at kulbrinter og aldehyder er til stede i de første tre massetabstrin, mens CO,CO2 og vand er til stede i alle fire massetabstrin; desuden viserCO2 sin maksimale frigivelse i det fjerde massetabstrin.
Tabel 2: Integrale bølgetalsintervaller for forskellige stoffer/funktionelle grupper
| Stoffer/funktionel gruppe | Integreret bølgetalsinterval |
| C-H (mørkeblå) | 3200 - 2600 cm-1 |
| C=O (lilla) | 1900 - 1600 cm-1 |
| CO2 (lyseblå) | 2400 - 2250 cm-1 |
| H2O(sort) | 4000 - 3800 cm-1 |
| CO (oliven) | 2200 - 2000 cm-1 |
Konklusion
Anvendelsen af termiske analyseteknikker i kombination med infrarød spektroskopi (FT-IR) i denne undersøgelse af begmaterialer er omfattende og dybtgående. TGA gør det muligt at måle masseændringen af en prøve under kontrollerede temperaturprocedurer, hvilket kan afsløre den termiske nedbrydningstemperatur og det flygtige indhold af beg.
Kombineret med FT-IR-analyse kan det yderligere identificere ændringer i begs molekylære struktur ved forskellige temperaturer, såsom dannelse eller brud på funktionelle grupper, hvilket giver en omfattende vurdering af den termiske stabilitet og ældningsmekanisme samt giver et solidt teoretisk grundlag og teknisk støtte til den dybdegående forskning og innovative udvikling af begmaterialer.