Johdanto
Piki on orgaanisten aineiden, kuten kivihiilitervan tai öljyn, tislauksesta peräisin oleva monimutkainen hiilipitoinen materiaali, jota käytetään laajalti metallurgiasta hiilikuitujen tuotantoon. Pikeen lämpöstabiilisuuden ja hajoamiskäyttäytymisen ymmärtäminen on ratkaisevan tärkeää, sillä nämä ominaisuudet vaikuttavat suoraan sen suorituskykyyn korkean lämpötilan sovelluksissa, kuten hiilipohjaisten materiaalien ja komposiittien valmistuksessa.
Mittausolosuhteet
Tässä tutkimuksessa tutkitaan pikeenäytteiden lämpöstabiilisuutta ja tehdään yksityiskohtaisia kaasuanalyysejä, jotta voidaan ymmärtää paremmin hajoamisreittejä ja vapautuvien haihtuvien lajien luonnetta. Näillä analyyseillä pyrimme selvittämään pikeen lämpökäyttäytymistä ja tarjoamaan arvokasta tietoa, jota voidaan hyödyntää sekä uusien materiaalien kehittämisessä että nykyisten teollisuusprosessien parantamisessa.
Mittaus suoritettiin NETZSCH PERSEUS® STA Jupiter® -järjestelmällä. Mittausparametrit on esitetty yksityiskohtaisesti taulukossa 1.
Taulukko 1: Mittausparametrit
| Näytetila | TG-FT-IR |
|---|---|
| Lämmitysnopeus | 10 K/min |
| Näytteen massa | 77.19 mg 0,3 ml:n Al2O3- upokkaassa |
| Lämpötilaohjelma | RT - 1000 °C |
| Puhdistuskaasuilmakehä | 14 % happea typessä |
| Puhdistuskaasun määrä | 70 ml/min |
| Spektrinen mittausalue | 4400 - 650 cm-1 |
| Resoluutio | 4 cm-1 |
Tulokset ja keskustelu
TGA- ja DTG-käyristä havaittiin, että pike-näytteessä oli neljä massahäviövaihetta; ks. kuva 1. Ensimmäinen massahäviö havaittiin RT:n ja 400 °C:n välillä, ja sen massanmuutos oli 11,1 %. Toinen vaihe tapahtui 400 °C:n ja 450 °C:n välillä, jolloin massanmuutos oli 35,5 %. Kolmannessa massan häviämisvaiheessa 450 °C:n ja 500 °C:n välillä massan muutos oli 21,8 %. Neljäs vaihe havaittiin 500 °C:n ja 1000 °C:n välillä, jolloin massanmuutos oli 31,3 %. Jäännösmassa oli 0,2 %. DTG-käyrä on TGA-käyrän ensimmäisen kertaluvun derivaatta, joka kuvastaa massahäviön nopeutta. Näiden neljän massanmuutoksen DTG-huippulämpötilat ovat 386 °C, 439 °C, 455 °C ja 555 °C.
Gram Schmidt -käyrä näyttää IR-intensiteetin kokonaisintensiteetin ja toimii massahäviönopeuden (DTG) peilikuvana. Se osoittaa myös maksimi-intensiteetit massahäviön vaiheiden aikana. Tämä todistaa kehittyneiden kaasujen vuorovaikutuksen IR-säteen kanssa.
Kuvassa 2 esitetään 3D-kuvaaja kehittyneestä kaasusta, joka on saatu TGA-FT-IR-kytkentätestauksessa, jossa piki on ollut ilmakehässä RT:n ja 1000 °C:n välillä. FT-IR-laitteen OPUS-ohjelmistossa tätä mittauksen kuutionäyttöä voidaan kääntää kaikkiin suuntiin, jotta saadaan tarkka kuva tallennetuista vapautuneista kaasuista.
Kuvan 3 infrapunaspektrien perusteella voidaan olettaa, että pikeen kaasumaiset tuotteet 400-500 °C:n lämpötilassa sisältävät pääasiassa CH4:n,CO2:n, CO:n jaH2O:n vapautumisen. Jälkiä metanolista ja etenistä, aldehydeistä (merkittävä IR-värähtely välillä 1600-1800 cm-1) ja hiilivedyistä (merkittävä IR-värähtely välillä 2700-3000 cm-1) voitiin myös havaita. Tietenkin myös aromaattisia yhdisteitä vapautuu. Niitä ei kuitenkaan tunnisteta tässä. Tämä osoittaa, että monia alifaattisia ja aromaattisia aineita vapautuu samanaikaisesti. Jäännöstuotteet ovat todennäköisesti dehydrogenoituneet ja polymerisoituneet pitkäketjuisiksi makromolekyyleiksi, jotka kuuluvat asfalttisideaineen aerobiseen termiseen krakkausvaiheeseen [1].
Kuvan 3 infrapunaspektrianalyysin tulosten perusteella oletetaan, että 500-700 °C:n lämpötiloissa piki palaa, kun otetaan huomioon kuvan 3 infrapunaspektrianalyysin tulokset. Verrattuna 300 °C:sta 500 °C:seen voidaan havaita, että epäorgaanisten kaasujenH2O,CO2, SO2 ja CO vapautuminen lisääntyi merkittävästi, mutta samaan aikaan orgaanisten yhdisteiden, kuten CH4, aldehydien, C-C ja C=C, vapautuminen väheni merkittävästi tai jopa hävisi [2]. Tämä osoittaa, että hapetusreaktio on hallitseva lämpötilan noustessa.
Integroimalla eri aineiden tai funktionaalisten ryhmien aaltoluvut voitiin saada lämpötilasta riippuvainen aineen tai funktionaalisen ryhmän vapautuminen. Kuvassa 4 esitetään pikeen TGA-käyrät ja kolmen aineen ja kahden funktionaalisen ryhmän aaltolukujen integrointikäyrät. Voidaan nähdä, että hiilivetyjä ja aldehydejä esiintyy kolmessa ensimmäisessä massahäviöportaassa, kun taas hiilidioksidia,hiilidioksidia ja vettä esiintyy kaikissa neljässä massahäviöportaassa; lisäksihiilidioksidin vapautuminen on suurinta neljännessä massahäviöportaassa.
Taulukko 2: Aaltolukujen kokonaislukuväli eri aineille/toiminnallisille ryhmille
| Aineet/funktionaalinen ryhmä | Integraalinen aaltolukuväli |
| C-H (tummansininen) | 3200 - 2600 cm-1 |
| C=O (violetti) | 1900 - 1600 cm-1 |
| CO2 (vaaleansininen) | 2400 - 2250 cm-1 |
| H2O(musta) | 4000 - 3800 cm-1 |
| CO (oliivi) | 2200 - 2000 cm-1 |
Päätelmä
Lämpöanalyysitekniikoita yhdessä infrapunaspektroskopian (FT-IR) kanssa on sovellettu tässä piki-materiaalien tutkimuksessa laajasti ja perusteellisesti. TGA:n avulla voidaan mitata näytteen massanmuutosta valvotuissa lämpötiloissa, jolloin voidaan selvittää pikeen terminen hajoamislämpötila ja haihtuvien aineiden pitoisuus.
Yhdistettynä FT-IR-analyysiin se voi lisäksi Identify pikeen molekyylirakenteen muutokset eri lämpötiloissa, kuten funktionaalisten ryhmien muodostuminen tai HajoamisreaktioHajoamisreaktio on kemiallisen yhdisteen lämpöreaktio, jossa muodostuu kiinteitä ja/tai kaasumaisia tuotteita. hajoaminen, mikä mahdollistaa lämpöstabiilisuuden ja vanhenemismekanismin kattavan arvioinnin sekä tarjoaa vankan teoreettisen perustan ja teknisen tuen pikeemateriaalien perusteelliselle tutkimukselle ja innovatiiviselle kehittämiselle.