Quantification de la libération d'ammoniac par les agents gonflants à base de polymères au moyen de la TGA-FT-IR

Introduction

Le traitement thermique de différents matériaux peut entraîner un dégagement d'ammoniac, qui a une odeur agressive et peut attaquer le système bronchique. Le dégagement d'ammoniac peut être causé par différents processus. Ceux-ci vont de la Réaction de décompositionUne réaction de décomposition est une réaction thermiquement induite d'un composé chimique formant des produits solides et/ou gazeux. décomposition thermique des sels aux fumées de combustion du tabac, en passant par la PyrolyseLa pyrolyse est la décomposition thermique de composés organiques dans une atmosphère inerte.pyrolyse de polymères tels que les polyamides (PA) et la fabrication de mousses plastiques nécessitant des agents gonflants. Les tapis de yoga sont un produit bien connu de cette dernière catégorie. Le dégagement d'ammoniac peut créer de fines poussières en réagissant avec l'acide sulfurique et l'acide nitrique lorsque des sels se sont formés. Dans l'environnement, la libération d'ammoniac peut entraîner l'acidification du sol. L'une des principales sources d'ammoniac dans l'environnement est l'agriculture, en particulier la fertilisation avec des engrais minéraux contenant du fumier et de l'azote.

C'est pourquoi la quantification de l'ammoniac libéré est importante dans de nombreuses applications. La libération d'ammoniac en fonction de la température peut être facilement détectée grâce au couplage TGA-FT-IR. Pour quantifier la part d'ammoniac libérée, une courbe d'étalonnage avec une concentration connue d'ammoniac est nécessaire. Le bicarbonate d'ammonium est un composé approprié à cet effet, car il libère de l'ammoniac dans un rapport stœchiométrique en plus du dégagement d'eau et de dioxyde de carbone ; voir l'équation (1). Seuls des composés gazeux sont produits :

(1) _NH4HCO3->NH3 + _H2O+ _CO2

Comment générer la courbe d'étalonnage ?

Un NETZSCH PERSEUS^® TG 209 F1 Libra^® a été utilisé pour réaliser cette étude. Le chauffage du bicarbonate d'ammonium a entraîné une Réaction de décompositionUne réaction de décomposition est une réaction thermiquement induite d'un composé chimique formant des produits solides et/ou gazeux. décomposition complète à 200°C, avec un pic dans le taux de perte de masse à 127°C (sur la base des conditions de mesure du tableau 1).

Tableau 1 : Conditions de mesure pour la génération de la courbe d'étalonnage

En corrélation avec la perte de masse, la libération de gaz actifs dans l'IR a été détectée ; voir figure 1.

La figure 2 montre le spectre FT-IR mesuré à 130°C (vert) en corrélation avec les spectres de bibliothèque de l'ammoniac (olive), de l'eau (bleu) et du dioxyde de carbone (rouge). La libération de ces composés en fonction de la température a été représentée sous forme de traces dans la figure 1. Ces traces ont été créées par l'intégration des régions colorées (voir figure 2) des spectres FT-IR pour chaque composé sur l'ensemble de la plage de température. Ces régions des spectres FT-IR étaient distinctes pour _NH3 (898 ^cm-1 - 981 ^cm-1),_CO2 (2200 ^cm-1 - 2450 ^cm-1) et_H2O(3793 ^cm-1 - 4001 ^cm-1) et il n'y avait pas de chevauchement avec les régions d'autres composés.

Le tableau 2 indique les quantités de gaz libérés calculées stœchiométriquement par rapport à la masse de l'échantillon de bicarbonate d'ammonium.

Par conséquent, les zones situées sous les traces de _NH3, de_CO2 et de_H2Odans la figure 1 peuvent être reliées à la quantité de gaz libérés ; comparez l'équation (1). Cela conduit à des courbes d'étalonnage pour _NH3,_CO2 et_H2Ooù la zone détectée sous les traces est liée à la quantité de gaz libéré ; voir figure 3. Comme le FT-IR n'a qu'une plage linéaire de small, il en résulte des équations polynomiales pour les trois molécules gazeuses avec des coefficients de détermination (^R2) très proches de 1. Dans cette étude, chaque masse d'échantillon n'a été mesurée qu'une seule fois. Des mesures répétées ou un plus grand nombre de points de données permettraient d'obtenir une précision encore plus grande de la ligne de tendance.

Tableau 2 : Masse de l'échantillon et quantités stœchiométriques de gaz dégagé qui en résultent

Comment tester l'exactitude de la courbe d'étalonnage ?

La précision de la courbe d'étalonnage a été vérifiée par une autre mesure sur _NH4HCO3 avec une masse d'échantillon définie de 15,22 mg. Les quantités théoriques de _NH3,_CO2 et_H2Oont été comparées aux valeurs calculées de _NH3,_CO2 et_H2Oà l'aide de la courbe d'étalonnage. Cela a donné des valeurs d'erreur comprises entre 0,8 % pour _NH3 et 4,9 % pour_H2O; voir tableau 3.

Étude d'un agent gonflant - Mise en pratique de la théorie

Dans l'étape suivante, les courbes d'étalonnage obtenues et vérifiées pourraient être utilisées pour quantifier le rejet de quantités inconnues de gaz étalonnés.

L'azodicarbonamide est utilisé comme agent gonflant pour produire des mousses polymères (pour la structure, voir figure 4). Il est utilisé dans la fabrication de mousses PVC et EVA-PE, où il forme des bulles en se décomposant à des températures de traitement et en libérant du _N2, du CO, du_CO2 et du _NH3. La mousse de vinyle se comprime facilement et présente une récupération élevée et rapide, ce qui lui vaut d'être souvent qualifiée de "élastique". Elle adhère également aux surfaces lisses. C'est pourquoi elle est utilisée pour les sous-couches de tapis, les tapis de sol et les tapis de yoga.

Les polymères pour lesquels cet agent gonflant a été utilisé ne doivent pas entrer en contact avec l'eau. Le _NH3 et l'eau peuvent former du _NH4OHet corroder l'environnement. C'est pourquoi la quantification de l'ammoniac provenant de cet agent gonflant est d'un grand intérêt.

Tableau 3 : Détermination de l'erreur, comparaison des montants théoriques et calculés

Un échantillon de 5,25 mg d'azodicarbonamide a été chauffé à 400°C à 5 K/min dans une atmosphère d'azote. Le thermogramme obtenu est présenté à la figure 5. Au total, trois étapes de perte de masse de 56,5 %, 11,5 % et 29,6 % ont été observées avec des pics dans la courbe DTG à 219°C, 245°C et 304°C. Les traces de_CO2 et de _NH3 ont été créées de la même manière que pour _NH4HCO3 dans la figure 1 et sont représentées en rouge et en olive. Cela montre que_{le CO2} et le _NH3 ont été libérés au cours des différentes étapes de perte de masse et qu'ils ne peuvent pas être quantifiés par les seules étapes de l'ATG. Pour quantifier ce composé, des données provenant de l'analyse des gaz évolués sont nécessaires. Le calcul de l'ammoniac libéré à l'aide de la courbe d'étalonnage a donné 0,22 mg de _NH3 (4 %). La quantité de_CO2 libéré peut également être calculée de la même manière et a donné 2,78 mg (53 %). Cette connaissance est précieuse pour le processus de fabrication, afin de s'assurer que la totalité de l'agent gonflant est libérée pendant le moussage. S'il reste des traces de small dans le produit, des températures supérieures à 219°C sont nécessaires pour déclencher une nouvelle libération.

Conclusion

La combinaison de la thermogravimétrie et de la spectroscopie infrarouge est une méthode appropriée pour détecter la libération de gaz permanents, tels que l'eau, le dioxyde de carbone et l'ammoniac. Ce n'est pas seulement l'identification, mais aussi la quantification qui peut être intéressante ici. À cette fin, une courbe d'étalonnage doit être générée à l'aide d'un matériau connu. Dans cet exemple, le bicarbonate d'ammonium répond parfaitement à ces exigences. Des courbes d'étalonnage peuvent être créées simultanément pour_H2O,_CO2 et _NH3 en décomposant trois portions différentes de _NH4HCO3. Les écarts à étudier ont été déterminés par une cinquième mesure. Cette préparation a permis d'identifier et de quantifier des quantités inconnues de _NH3 et de_CO2 provenant de l'agent gonflant azodicarbonamide utilisé pour les mousses polymères.