| Published: 

VariPhi – The Patented Immersion Heater for Variation of the Ф-Factor in Thermal Runaway Tests

Εισαγωγή

Η θερμιδομετρία επιταχυνόμενου ρυθμού (Θερμιδομετρία επιταχυνόμενου ρυθμού (ARC)Η μέθοδος που περιγράφει ισόθερμες και αδιαβατικές διαδικασίες δοκιμής που χρησιμοποιούνται για την ανίχνευση θερμικά εξώθερμων αντιδράσεων αποσύνθεσης.ARC®) είναι μια μέθοδος για τη μελέτη σεναρίων χειρότερης περίπτωσης και θερμικών αντιδράσεων διαφυγής. Σε αντίθεση με άλλες θερμιδομετρικές τεχνικές, όπως η θερμιδομετρία αντιδράσεων, η θερμιδομετρία καύσης ή η θερμιδομετρία διαφορικής σάρωσης (DSC), ο εξοπλισμός τύπου Θερμιδομετρία επιταχυνόμενου ρυθμού (ARC)Η μέθοδος που περιγράφει ισόθερμες και αδιαβατικές διαδικασίες δοκιμής που χρησιμοποιούνται για την ανίχνευση θερμικά εξώθερμων αντιδράσεων αποσύνθεσης.ARC® επιτρέπει ένα αδιαβατικό περιβάλλον δείγματος. Η αδιαβατικότητα είναι απαραίτητη για την παρατήρηση της πιο βίαιης εξέλιξης της αντίδρασης. Οι αντιδράσεις αποσύνθεσης, οι οποίες παρουσιάζουν ιδιαίτερο ενδιαφέρον σε αυτό το πλαίσιο, παράγουν θερμότητα και πίεση, δεδομένου ότι οι αντιδράσεις είναι συνήθως έντονα εξώθερμες και σχηματίζουν αέρια αποσύνθεσης. Το αδιαβατικό περιβάλλον του δείγματος πραγματοποιείται στο εσωτερικό του θερμιδόμετρου τύπου Θερμιδομετρία επιταχυνόμενου ρυθμού (ARC)Η μέθοδος που περιγράφει ισόθερμες και αδιαβατικές διαδικασίες δοκιμής που χρησιμοποιούνται για την ανίχνευση θερμικά εξώθερμων αντιδράσεων αποσύνθεσης.ARC® μέσω μιας σειράς θερμαντήρων που περιβάλλουν το διαμέρισμα του δείγματος και ενός έξυπνου συστήματος ελέγχου της θερμοκρασίας. Ένας στόχος είναι η ανίχνευση της θερμοκρασίας στην οποία αρχίζει η αυτοδιάσπαση ενός δείγματος ή ενός μίγματος δειγμάτων. Ένας άλλος στόχος είναι να αποτραπεί οποιαδήποτε ανταλλαγή θερμότητας μεταξύ του δείγματος και του περιβάλλοντός του μόλις αρχίσει η εξώθερμη αντίδραση αποσύνθεσης. Μόλις ο ρυθμός αυτοθέρμανσης υπερβεί ένα ορισμένο όριο (το οποίο είναι συνήθως της τάξης των 0,02 K/min), όλοι οι θερμαντήρες που περιβάλλουν το δείγμα θα παρακολουθούν τη θερμοκρασία του δείγματος. Χωρίς ανταλλαγή θερμότητας, δεν θα υπάρξει απώλεια θερμότητας προς το περιβάλλον, και αν δεν διαχυθεί θερμότητα, ολόκληρη η θερμότητα της αντίδρασης παραμένει στο εσωτερικό του δείγματος, αυξάνοντας έτσι τη θερμοκρασία του δείγματος. Όσο υψηλότερη είναι η θερμοκρασία του δείγματος, τόσο ταχύτερος θα είναι ο ρυθμός της αντίδρασης. Ένα τέτοιο πείραμα όχι μόνο παρέχει τη θερμοκρασία εκκίνησης της αντίδρασης διάσπασης υπό οιονεί ισόθερμες συνθήκες, αλλά επιτρέπει επίσης τον προσδιορισμό της μέγιστης αύξησης της θερμοκρασίας και της μέγιστης αύξησης της πίεσης υπό αδιαβατικές συνθήκες.

Ο συντελεστής PHI (φ) ή "θερμική αδράνεια"

Από τα δύο μετρούμενα σήματα, τη θερμοκρασία και την πίεση, μπορεί να υπολογιστεί ο μέγιστος ρυθμός και συνήθως γίνονται προβλέψεις για τη θερμοκρασία στην οποία η εξεταζόμενη αντίδραση χρειάζεται τουλάχιστον είκοσι τέσσερις ώρες για να φθάσει στο μέγιστο ρυθμό ανάπτυξης θερμοκρασίας, ο χρόνος μέχρι το μέγιστο ρυθμό (TMR24h).

Η εξίσωση 1 απεικονίζει τη σχέση μεταξύ των αδιαβατικών και των παρατηρούμενων μεταβολών της θερμοκρασίας στη θερμοδυναμική.

Μια βασική παράμετρος για το σενάριο δοκιμής είναι ο λεγόμενος παράγοντας PHI (φ). Δίνει το λόγο της μάζας και της ειδικής θερμότητας του δείγματος προς το δοχείο του δείγματος, όπου ΔTad είναι η αύξηση της θερμοκρασίας υπό αδιαβατικές συνθήκες, ΔTobs είναι η παρατηρούμενη αύξηση της θερμοκρασίας υπό δεδομένες συνθήκες, m είναι η μάζα, Specific Heat Capacity (cp)Heat capacity is a material-specific physical quantity, determined by the amount of heat supplied to specimen, divided by the resulting temperature increase. The specific heat capacity is related to a unit mass of the specimen.cp είναι η ειδική θερμοχωρητικότητα, s είναι το δείγμα και v είναι το δοχείο [1].

Ο συντελεστής φ, γνωστός και ως θερμική αδράνεια, είναι καλύτερος όσο πλησιάζει στο 1, πράγμα που σημαίνει στην ιδανική περίπτωση ότι τα αποτελέσματα της δοκιμής καθορίζονται μέσω του δείγματος και όχι μέσω της επιρροής του δοχείου. Από την άλλη πλευρά, η προαναφερθείσα εξίσωση επισημαίνει ότι ο λόγος της μάζας του δείγματος προς το δοχείο προκύπτει κατά κάποιο τρόπο από την αντιδραστικότητα του ίδιου του δείγματος, μαζί με τον μέγιστο όγκο του δοχείου δείγματος και τα διαθέσιμα υλικά για τα δοχεία. Για να δείξουμε πώς αυτές οι παράμετροι επηρεάζουν τον συντελεστή φ, ο πίνακας 1 συνοψίζει τους συντελεστές φ που υπολογίστηκαν για δύο δείγματα (οργανικά υπεροξείδια και υπεροξείδιο του υδρογόνου), δύο υλικά δοχείων (ανοξείδωτο χάλυβα και titanium) και για μια ρεαλιστική ποικιλία μαζών δειγμάτων.

Πίνακας 1: Υπολογισμένοι συντελεστές Ф για διάφορες συνθήκες μέτρησης

Μάζα υπεροξειδίου του υδρογόνου / g0.250.501.02.05.08.0
Ф για δοχείο 10,0 g titanium7.414.202.601.801.321.20
Οργανικό υπεροξείδιο μάζα / g0.250.501.01.55.08.0
Ф για ανοξείδωτο χάλυβα 7,0 g9.865.433.211.5--
Μάζα υπεροξειδίου του υδρογόνου / g0.250.501.02.05.08.0
Ф για ανοξείδωτο χάλυβα 7,0 g5.923.462.231.82--

Η προαναφερθείσα συσχέτιση της μάζας του δείγματος και του υπολογισμένου συντελεστή φ παρουσιάζεται επιπλέον στο σχήμα 1. Δεδομένου ότι η ειδική θερμοχωρητικότητα του προς εξέταση δείγματος μαζί με την ειδική θερμοχωρητικότητα του υλικού του δοχείου είναι συνήθως δεδομένη, η μόνη διαθέσιμη παράμετρος για τη μεταβολή του συντελεστή φ είναι η μάζα του δείγματος.

Η αύξηση της μάζας του δείγματος μπορεί να φέρει τον συντελεστή φ πιο κοντά στο 1, αλλά ενδέχεται να υπάρχουν περιορισμοί στον όγκο του δοχείου καθώς και περιορισμοί που σχετίζονται με τον ίδιο τον εξοπλισμό. Είναι επιτακτική ανάγκη να λαμβάνεται υπόψη το εύρος πίεσης, το εύρος θερμοκρασίας και ο μέγιστος ρυθμός παρακολούθησης του θερμιδόμετρου τύπου Θερμιδομετρία επιταχυνόμενου ρυθμού (ARC)Η μέθοδος που περιγράφει ισόθερμες και αδιαβατικές διαδικασίες δοκιμής που χρησιμοποιούνται για την ανίχνευση θερμικά εξώθερμων αντιδράσεων αποσύνθεσης.ARC® που χρησιμοποιείται, ώστε να μην υπερβαίνεται κάποιο από αυτά- διαφορετικά, τα δεδομένα ενδέχεται να μην έχουν πλέον νόημα. Από το σχήμα 1 φαίνεται ότι, λόγω του συνολικού όγκου του των 2,6 ml, το δοχείο από ανοξείδωτο χάλυβα (σχήμα 3) περιορίζεται σε μάζα δείγματος μικρότερη από 2,0 g. Δεδομένου ότι τα δοχεία συνήθως δεν γεμίζουν περισσότερο από το ήμισυ, ο αναμενόμενος συντελεστής φ είναι μεταξύ 2 και 4, ανάλογα με την ειδική θερμοχωρητικότητα του ίδιου του δείγματος. Μόνο με 1,5 mg υπεροξειδίου του υδρογόνου, το οποίο έχει σχετικά υψηλή ειδική θερμοχωρητικότητα, μπορεί να διαπιστωθεί συντελεστής φ καλύτερος από 2. Ακόµη και όταν χρησιµοποιείται δοχείο titanµε όγκο 8,6 ml, είναι κάπως δύσκολο να επιτευχθούν µάζες δειγµάτων µεγαλύτερες από 3,0 g και συντελεστές φ της τάξης του 1,5.

Γράφημα που δείχνει τη σχέση μεταξύ της μάζας του δείγματος και του συντελεστή PHI για το υπεροξείδιο του υδρογόνου σε τιτάνιο και ανοξείδωτο χάλυβα και τολουόλιο σε ανοξείδωτο χάλυβα.
1) Συσχέτιση της μάζας του δείγματος και του συντελεστή φ για διαφορετικά δείγματα και υλικά δοχείων σύμφωνα με την εξίσωση 1. Το σχετικό δοχείο τιτανίου παρουσιάζεται στο σχήμα 2- το σχετικό δοχείο από ανοξείδωτο χάλυβα στο σχήμα 3.
Σφαιρικό δοχείο τιτανίου, χωρητικότητας 8,6 ml, βάρους 10,0 g, σχεδιασμένο για ακριβείς επιστημονικές αναλύσεις και δοκιμές.
2) Σφαιρικό δοχείο, τιτάνιο, 8,6 ml, 10,0 g
Κυλινδρικά δοχεία από ανοξείδωτο χάλυβα, χωρητικότητας 2,6 ml, που χρησιμοποιούνται για αναλύσεις και δοκιμές σε διάφορες εφαρμογές.
3) Κυλινδρικά δοχεία, από ανοξείδωτο χάλυβα, 2,6 ml, 7,2 g

Όλα τα δείγματα που παρουσιάζουν δυναμικό θερμικής επικινδυνότητας χαρακτηρίζονται επίσης από αυξημένο κίνδυνο όσον αφορά το χειρισμό σε εργαστηριακό περιβάλλον. Από την άποψη της ασφάλειας, είναι φυσικά πολύ καλύτερο να χειρίζεστε επικίνδυνα δείγματα σε ποσότητες small. Λαμβάνοντας υπόψη τους προαναφερθέντες περιορισμούς, προκύπτει ένα δίλημμα. Όσο χαμηλότερος είναι ο συντελεστής φ, τόσο πιο σημαντικά πρέπει να είναι τα αποτελέσματα. Αυτό, ωστόσο, θα απαιτούσε larger ποσότητες δειγμάτων. Ωστόσο, η μείωση της μάζας του δείγματος για την αντιμετώπιση των ζητημάτων ασφάλειας θα αυξήσει τον συντελεστή φ. Προκειμένου να ξεπεραστεί αυτό το δίλημμα, χρησιμοποιήθηκε το πατενταρισμένο VariPhi στο εσωτερικό μιας Θερμιδομετρία επιταχυνόμενου ρυθμού (ARC)Η μέθοδος που περιγράφει ισόθερμες και αδιαβατικές διαδικασίες δοκιμής που χρησιμοποιούνται για την ανίχνευση θερμικά εξώθερμων αντιδράσεων αποσύνθεσης.ARC® μονάδας του Multiple Module Calorimeter (MMC)A multiple mode calorimeter device consisting of a base unit and exchangeable modules. One module is prepared for accelerating rate calorimetry (ARC), the ARC-Module. A second one is used for scanning tests (Scanning Module) and a third one is related to battery testing for coin cells (Coin Cell Module).MMC 274 Nexus®.

Το θερμιδόμετρο πολλαπλών μονάδων (MMC 274 Nexus®)

Το θερμιδόμετρο πολλαπλών μονάδων Multiple Module Calorimeter (MMC)A multiple mode calorimeter device consisting of a base unit and exchangeable modules. One module is prepared for accelerating rate calorimetry (ARC), the ARC-Module. A second one is used for scanning tests (Scanning Module) and a third one is related to battery testing for coin cells (Coin Cell Module).MMC 274 Nexus® (εικόνα 4) προσφέρει τρεις διαφορετικές μονάδες μέτρησης [2]. Η μονάδα Coin-Cell Module είναι εξειδικευμένη για τη διερεύνηση μπαταριών και η μονάδα σάρωσης [3, 4] μπορεί να χρησιμοποιηθεί για την αξιολόγηση θερμιδικών δεδομένων από μία μόνο διαδρομή θέρμανσης. Η ενότητα ARC® (εικόνα 5) μπορεί να χρησιμοποιηθεί για μελέτες θερμικής επικινδυνότητας και χρησιμοποιήθηκε για τα αποτελέσματα που παρουσιάζονται στην παρούσα εργασία.

Ουσία δοκιμής: Υπεροξείδιο του υδρογόνου

Το υπεροξείδιο του υδρογόνου (H2O2) διασπάται θερμικά σε νερό και οξυγόνο. Αυτή η αντίδραση διάσπασης μπορεί να ξεκινήσει θερμικά και είναι έντονα εξώθερμη. Αυτός είναι ο λόγος για τον οποίο το υπεροξείδιο του υδρογόνου χειρίζεται συνήθως ως υδατικό διάλυμα έως 35%. Όσον αφορά τις μελέτες θερμικής ασφάλειας, είναι μια ιδανική ουσία, καθώς σχηματίζει νερό και οξυγόνο κατά τη διάρκεια της αποσύνθεσης και αυτό καθιστά τον καθαρισμό και την επαναχρησιμοποίηση των δοχείων αρκετά βολικό.

Η ενότητα ARC® με VariPhi

Στο σχήμα 5 παρουσιάζεται η ρύθμιση της μονάδας ARC® του Multiple Module Calorimeter (MMC)A multiple mode calorimeter device consisting of a base unit and exchangeable modules. One module is prepared for accelerating rate calorimetry (ARC), the ARC-Module. A second one is used for scanning tests (Scanning Module) and a third one is related to battery testing for coin cells (Coin Cell Module).MMC. Το δοχείο δείγματος τοποθετείται μέσα στο διαμέρισμα του θερμιδόμετρου και η θερμοκρασία του δείγματος ανιχνεύεται μέσω ενός θερμοστοιχείου που είναι στερεωμένο απευθείας στο εξωτερικό τοίχωμα του δοχείου δείγματος. Το ίδιο το δοχείο συνδέεται μέσω μιας διέλευσης με ένα μανόμετρο. Ακριβώς στο κέντρο αυτής της διάταξης, ο εσωτερικός θερμαντήρας, που ονομάζεται VariPhi, τοποθετείται μέσα στο δείγμα.

Σχηματικό διάγραμμα της μονάδας ARC με επισημασμένους εσωτερικούς θερμαντήρες και θερμοστοιχείο για ακριβή έλεγχο της θερμοκρασίας.
5) Σχηματική αναπαράσταση της μονάδας ARC® με εσωτερικό θερμαντήρα (VariPhi)

Αυτός ο πατενταρισμένος θερμαντήρας VariPhi είναι η λύση στο προαναφερθέν δίλημμα. Από τη μία πλευρά, μπορεί να χρησιμοποιηθεί για μια διαγνωστική διαδρομή προκειμένου να ανιχνευθεί γρήγορα εάν ένα άγνωστο δείγμα παρουσιάζει ή όχι επικίνδυνο δυναμικό. Στην περίπτωση αυτή, θα παρέχεται σταθερή ισχύς στον θερμαντήρα VariPhi. Μαζί µε τον προκύπτοντα ρυθµό θέρµανσης, µπορεί να υπολογιστεί ένα σήµα ροής θερµότητας για να γίνει διάκριση µεταξύ ενδοθερµικών και εξώθερµων επιδράσεων του δείγµατος. Από την άλλη πλευρά, ο θερμαντήρας VariPhi μπορεί επίσης να χρησιμοποιηθεί για τη μερική ή πλήρη αντιστάθμιση της επίδρασης του δοχείου δείγματος (συντελεστής φ- εξίσωση 1). Στην περίπτωση αυτή, ο θερμαντήρας VariPhi εφαρμόζει στο δείγμα την ποσότητα θερμότητας που συνήθως θα χανόταν με τη θέρμανση του δοχείου δείγματος. Δεδομένου ότι το δείγμα είναι το θερμότερο μέρος κατά τη διάρκεια μιας αυτοθερμαινόμενης αντίδρασης αποσύνθεσης, η θερμότητα θα χανόταν για να θερμανθεί το δοχείο πριν ανιχνευθεί μέσω του θερμοστοιχείου που είναι στερεωμένο εκτός του δοχείου (σχήμα 5). Σύμφωνα με την εξίσωση 1, ο συντελεστής φ μπορεί να αντισταθμιστεί είτε μερικώς είτε πλήρως για να επιτευχθούν οι ιδανικές συνθήκες όσον αφορά τον συντελεστή φ. Με αυτόν τον τρόπο, είναι δυνατή η προσαρμογή του συντελεστή φ σε μια τιμή που αντικατοπτρίζει τις πραγματικές συνθήκες ενός αντιδραστήρα ή μπορεί να ρυθμιστεί σε φ = 1 προκειμένου να μελετηθούν τα χειρότερα σενάρια. Η απαιτούμενη εισερχόμενη ισχύς για την αντιστάθμιση δίνεται από τη μάζα και την ειδική θερμοχωρητικότητα του δοχείου.

Εάν μια δοκιμή διαλογής θερμικού κινδύνου έχει ανιχνεύσει αυτοθέρμανση και αύξηση της πίεσης (σχήμα 6), είναι επιτακτική ανάγκη να διεξαχθεί μια πρόσθετη δοκιμή θερμικής διαφυγής. Τα αποτελέσματα μιας τέτοιας δοκιμής Heat-Wait-Search (HWS)Heat-Wait-Search is a measurement mode used in calorimeter devices according to accelerating rate calorimetry (ARC).heat-wait-search (Heat-Wait-Search (HWS)Heat-Wait-Search is a measurement mode used in calorimeter devices according to accelerating rate calorimetry (ARC).HWS) απεικονίζονται στο σχήμα 7. Συγκρίνονται οι διαφορές μεταξύ των αντισταθμισμένων αποτελεσμάτων μέτρησης (κόκκινη καμπύλη) και των μη αντισταθμισμένων (μαύρη καμπύλη). Οι συνθήκες μέτρησης συνοψίζονται στον πίνακα 2.

Σε αντίθεση με τη δοκιμή σάρωσης, η αντίστοιχη δοκιμή Heat-Wait-Search (HWS)Heat-Wait-Search is a measurement mode used in calorimeter devices according to accelerating rate calorimetry (ARC).heat-wait-search του υπεροξειδίου του υδρογόνου ανιχνεύει την έναρξη της αυτοθέρμανσης ήδη στους 90 °C (σχήμα 7, μαύρη καμπύλη). Ο μέγιστος ρυθμός αυτοθέρμανσης ανιχνεύθηκε σε 0,08 K/min σε συνδυασμό με αύξηση της θερμοκρασίας κατά 26,8 K (ΔTobs). Η παρατηρούμενη αύξηση της θερμοκρασίας εκτιμάται με την αφαίρεση της θερμοκρασίας έναρξης (Tstart, αρχή του εξώθερμου συμβάντος) από την τελική θερμοκρασία του εξώθερμου συμβάντος (Tfinal) [1].

Εξίσωση που απεικονίζει τη μεταβολή της θερμοκρασίας: ΔT_obs = (T_final) - (T_start), που χρησιμοποιείται στην επιστημονική ανάλυση και τις δοκιμές.

Τα προαναφερθέντα αποτελέσματα των μετρήσεων, που απεικονίζονται με τη μαύρη καμπύλη στο σχήμα 7, πραγματοποιούνται χωρίς τη χρήση του εσωτερικού θερμαντήρα, που ονομάζεται VariPhi, ο σχετικός συντελεστής φ είναι 3,14. Όταν χρησιμοποιείται το VariPhi για την ίδια διάταξη δείγματος και χρησιμοποιείται η ισχύς του για την αντιστάθμιση της μάζας και της ειδικής θερμοχωρητικότητας του δοχείου (φ = 1), η μετρούμενη αύξηση της θερμοκρασίας προσδιορίζεται σε 64,8 K (κόκκινη καμπύλη, σχήμα 7). Αυτό επιβεβαιώνει όμορφα την προσδοκία για σημαντική αύξηση τόσο της ΔTobs όσο και της ταχύτητας της αντίδρασης. Όσο μικρότερος είναι ο συντελεστής φ, τόσο λιγότερη θερμότητα χάνεται κατά τη θέρμανση του δοχείου δείγματος- επιπλέον, όλη η θερμότητα της αντίδρασης μπορεί να παραμείνει στο εσωτερικό του δοχείου δείγματος για να επιταχυνθούν οι αντιδράσεις αυτοθέρμανσης. Η διακεκομμένη γραμμή στο σχήμα 7 επιβεβαιώνει ότι ο ρυθμός αυτοθέρμανσης είναι σχεδόν δεκαπλάσιος για τη μέτρηση με τη χρήση του VariPhi (κόκκινη καμπύλη, σχήμα 7) από ό,τι για τη μη αντισταθμισμένη μέτρηση. Τα αποτελέσματα αυτά καταδεικνύουν την τεράστια επίδραση του συντελεστή φ σε σχέση με το αναμενόμενο δυναμικό επικινδυνότητας των χημικών αντιδράσεων.

Εάν δεν είναι διαθέσιμο το VariPhi, οι μετρήσεις δεν μπορούν συνήθως να πραγματοποιηθούν με συνθήκες χαμηλού φ λόγω περιορισμών που προκαλούνται από τις ιδιότητες του υλικού του δοχείου δείγματος, τη μέγιστη ποσότητα δείγματος, την αναμενόμενη πίεση κ.λπ. Στην περίπτωση αυτή, η ASTM E1981 - 81(2012) προτείνει την ακόλουθη προσέγγιση για ιδανικές συνθήκες μέτρησης.

Εξίσωση 3: ΔT_ad = (ΔT_obs)(ϕ) που απεικονίζει τη σχέση για την ανάλυση της θερμοκρασίας στις επιστημονικές δοκιμές.

Η τιμή "delta T ideal" υπολογίζεται σύμφωνα με την εξίσωση 3 κατά την αξιολόγηση των δεδομένων στο λογισμικό NETZSCH Proteus® . Το µη αντισταθµισµένο αποτέλεσµα (µαύρη καµπύλη στο σχήµα 7) υποδεικνύει " ΔTobs" 26,8 K και συντελεστή φ 2,56. Η υπόθεση για ένα αποτέλεσμα μέτρησης υπό ιδανικές συνθήκες (φ = 1) αναμένει ότι το " ΔTideal" θα είναι 68,6 K. Αυτή η υπόθεση που γίνεται μέσω της εξίσωσης 3 είναι κοντά στο αποτέλεσμα μέτρησης 64,8 K που προκύπτει με τη χρήση του θερμαντήρα VariPhi (κόκκινη καμπύλη στο σχήμα 7).

Γράφημα αποτελεσμάτων διαλογής υπεροξειδίου του υδρογόνου που απεικονίζει τη θερμοκρασία και την πίεση με την πάροδο του χρόνου, με επισήμανση των βασικών σημείων δεδομένων.
6) Αποτελέσματα μετρήσεων για τη διαλογή υπεροξειδίου του υδρογόνου με πίεση (μπλε), ρυθμό πίεσης (διακεκομμένο μπλε), θερμοκρασία (κόκκινο) και ρυθμό θερμοκρασίας (διακεκομμένο κόκκινο)

Πίνακας 2: Συνθήκες μέτρησης για τη σάρωση (σχήμα 6) και τις δοκιμές θερμότητας-αναμονής-διήθησης (σχήμα 7)

Multiple Module Calorimeter (MMC)A multiple mode calorimeter device consisting of a base unit and exchangeable modules. One module is prepared for accelerating rate calorimetry (ARC), the ARC-Module. A second one is used for scanning tests (Scanning Module) and a third one is related to battery testing for coin cells (Coin Cell Module).MMC 274 Nexus®

Μονάδα MMC

Σάρωση

ARC®

ARC® χωρίς αντιστάθμιση

ARC® με αντιστάθμιση

Υλικό δοχείου

Ανοξείδωτο χάλυβα

Ανοξείδωτο χάλυβα

Ανοξείδωτο χάλυβα

Τύπος δοχείου

Κλειστό

Κλειστό

Κλειστό

Μάζα δοχείου

7176.00 mg

7119.74 mg

7119,66 mg

Θέρμανση

Σταθερή ισχύς (250 mW)

Heat-Wait-Search (HWS)Heat-Wait-Search is a measurement mode used in calorimeter devices according to accelerating rate calorimetry (ARC).HWS

Heat-Wait-Search (HWS)Heat-Wait-Search is a measurement mode used in calorimeter devices according to accelerating rate calorimetry (ARC).HWS

Ατµόσφαιρα

Αέρας

Αέρας

Αέρας

Ρυθμός αερίου καθαρισμού

Στατικό

Στατικό

Στατικό

Εύρος θερμοκρασίας

RT ... 250°C

RT ... 250°C

RT ... 250°C

Μάζα δείγματος

512.35 mg

749.79 mg

749.46 mg

Συντελεστής Ф

4.15

3.14

3.14

Συντελεστής Ф (comp.)

3.14

1.00

Αποτελέσματα μέτρησης για τη δοκιμή heat-wait-search σε υπεροξείδιο του υδρογόνου, που δείχνει τη θερμοκρασία και τη θερμική αδράνεια με την πάροδο του χρόνου.
7) Αποτελέσματα μέτρησης για δοκιμή Heat-Wait-Search (HWS)Heat-Wait-Search is a measurement mode used in calorimeter devices according to accelerating rate calorimetry (ARC).heat-wait-search (Heat-Wait-Search (HWS)Heat-Wait-Search is a measurement mode used in calorimeter devices according to accelerating rate calorimetry (ARC).HWS) σε υπεροξείδιο του υδρογόνου με αντιστάθμιση του συντελεστή φ (κόκκινο) και χωρίς (μαύρο)
Σύγκριση δύο δοκιμών heat-wait-search με δεδομένα θερμοκρασίας και ρυθμού θερμότητας, επισημαίνοντας τις διαφορές των μετρήσεων με την πάροδο του χρόνου.
8) Σύγκριση δύο δοκιμών Heat-Wait-Search (HWS)Heat-Wait-Search is a measurement mode used in calorimeter devices according to accelerating rate calorimetry (ARC).heat-wait-search (Heat-Wait-Search (HWS)Heat-Wait-Search is a measurement mode used in calorimeter devices according to accelerating rate calorimetry (ARC).HWS) με διαφορετικές συνθήκες μέτρησης, και οι δύο αντισταθμισμένες σε φ = 1,5

Ένα ακόμη πλεονέκτημα του θερμαντήρα VariPhi είναι η αντιστάθμιση του συντελεστή φ για τη βελτίωση της συγκρισιμότητας διαφορετικών συνθηκών μέτρησης. Στο σχήμα 8 συγκρίνονται δύο μετρήσεις σε διαφορετικές ποσότητες υπεροξειδίου του υδρογόνου. Η κόκκινη καμπύλη αντιπροσωπεύει μια μέτρηση σε 0,500 g H2O2 (φ = 4,21) και η μπλε μέτρηση πραγματοποιήθηκε χρησιμοποιώντας 1,00 g (φ = 2,60). Λόγω των διαφορετικών μαζών των δειγμάτων, οι συντελεστές φ διαφέρουν σημαντικά: 4,21 και 2,60, αντίστοιχα. Ο θερμαντήρας VariPhi χρησιμοποιήθηκε για την αντιστάθμιση και των δύο μετρήσεων σε φ = 1,5. Τα αξιολογημένα αποτελέσματα είναι πολύ παρόμοια για τις δύο μετρήσεις, συμπεριλαμβανομένης της θερμοκρασίας έναρξης (Tstart), του ρυθμού αυτοθέρμανσης (HR) και της παρατηρούμενης αύξησης της θερμοκρασίας (ΔTobs).

Συμπέρασμα

Η αντίδραση διάσπασης του υπεροξειδίου του υδρογόνου (H2O2) διερευνήθηκε ως δοκιμαστικό σενάριο για να καταδειχθεί η χρήση ενός πρόσθετου θερμαντήρα μέσα σε εξοπλισμό τύπου ARC®. Ο πατενταρισμένος θερμαντήρας VariPhi μπορεί να χρησιμοποιηθεί για την αντιστάθμιση της διάταξης δοκιμής είτε σε έναν πραγματικό συντελεστή φ είτε στην ιδανική τιμή φ = 1. Αυτή η ρύθμιση αντιστάθμισης των απωλειών θερμότητας επιτρέπει μετρήσεις χαμηλού φ ακόμη και σε ποσότητες δειγμάτων small. Από άποψη ασφάλειας, η δυνατότητα μεταβολής του συντελεστή φ αποδεικνύεται μεγάλο πλεονέκτημα για εργαστήρια που δοκιμάζουν το επικίνδυνο δυναμικό χημικών ουσιών και μιγμάτων αντίδρασης.

Literature

  1. [1]
    ASTM E1981 - 98(2012), "Standard Guide forAssessing Thermal StabilityA material is thermally stable if it does not decompose under the influence of temperature. One way to determine the thermal stability of a substance is to use a TGA (thermogravimetric analyzer). Thermal Stability of Materials by Methods of Accelerating Rate Calorimetry", ASTM International, 100 Barr Harbor Drive, PO Box C700, West Conshocken, PA19428-2959.
  2. [2]
    E. Füglein, S. Schmölzer, "Epoxy Curing Investigatedby Means of DSC 214 Polyma and MMC 274 Nexus®®", NETZSCH Application Note 130, 2019E. Füglein, S. Schmölzer, "Epoxy Curing InvestigatedbyMeans of DSC 214 Polyma and MMC 274 Nexus®®", NETZSCH Application Note 130, 2019
  3. [3]
    E. Füglein, "Hazard Potential of Decomposition reactionA decomposition reaction is a thermally induced reaction of a chemical compound forming solid and/or gaseous products. Decomposition Reactions Using the Example of Hydrogen Peroxide (H2O2)", NETZSCH Application Note 131, 2019
  4. [4]
    E. Füglein, "Screening of Hydrogen Peroxide Solutionsby Means of Scanning Tests and ARC® Tests®, NETZSCH Application Note 132, 2019