Introduzione
Nel campo della depurazione dei gas di scarico delle automobili, la ceramica a nido d'ape è molto importante come vettore catalitico. Combinando il vettore catalitico con catalizzatori (come metalli preziosi quali platino, rodio, palladio, ecc.), cioè creando un dispositivo di purificazione catalitica dei gas di scarico, e montandolo sul sistema di emissione dei gas di scarico, i componenti nocivi dei gas di scarico (come il monossido di carbonio CO, gli idrocarburi HC, gli ossidi di azoto NOx, ecc.) possono essere attivati e fatti reagire chimicamente e trasformati in anidride carbonica, acqua e azoto innocui, eliminando così i gas di scarico nocivi.
Grazie alla buona refrattarietà, al basso tasso di espansione termica e ad altre proprietà, le ceramiche a nido d'ape di cordierite diventano componenti fondamentali dei dispositivi di purificazione dei gas di scarico per gasolio, benzina e gas naturale, fungendo sia da supporto per il catalizzatore che da canale di emissione dei gas di scarico delle automobili.
Le ceramiche di cordierite (figura 1) come vettori catalitici presentano i seguenti vantaggi:
- La struttura a nido d'ape e l'area superficiale specifica di large favoriscono l'aggancio e la dispersione delle sostanze attive del catalizzatore, migliorandone notevolmente l'attività.
- Buona Stabilità termicaUn materiale è termicamente stabile se non si decompone sotto l'influenza della temperatura. Un modo per determinare la stabilità termica di una sostanza è quello di utilizzare un TGA (analizzatore termogravimetrico). stabilità termica: La temperatura di scarico dei motori automobilistici è generalmente compresa tra 250 e 800 ºC, o addirittura superiore a 800 ºC. La cordierite non si decompone e non subisce cambiamenti di fase alle alte temperature, garantendo l'attività e la durata del catalizzatore.
- Il coefficiente di espansione termica è small. Il motore di un'automobile si avvia e si arresta frequentemente; il basso coefficiente di espansione termica della cordierite è favorevole a prevenire la rottura del dispositivo di purificazione a lungo termine in un ambiente di lavoro ripetutamente raffreddato e riscaldato rapidamente, il che contribuisce a garantire l'effetto del catalizzatore e la sicurezza del condotto di scarico.
- La ceramica cordierite ha una bassa Capacità termica specifica (cp)La capacità termica è una grandezza fisica specifica del materiale, determinata dalla quantità di calore fornita al campione, divisa per l'aumento di temperatura risultante. La capacità termica specifica è correlata all'unità di massa del campione. capacità termica specifica. Il motore è soggetto a produrre più CO e HC durante l'avviamento a freddo; la cordierite come supporto può far sì che il catalizzatore raggiunga la temperatura di lavoro e svolga il ruolo di catalizzatore in un periodo di tempo più breve, grazie al suo calore specifico più basso.
- La conducibilità termica è adeguata. I container, i camion large e altri veicoli diesel devono spesso percorrere lunghe distanze e per molto tempo, quindi la conducibilità termica e le proprietà di dissipazione del calore del supporto del catalizzatore sono molto importanti.
Condizioni di misura
In questo esempio di applicazione, un campione di cordierite è stato testato per la Stabilità termicaUn materiale è termicamente stabile se non si decompone sotto l'influenza della temperatura. Un modo per determinare la stabilità termica di una sostanza è quello di utilizzare un TGA (analizzatore termogravimetrico). stabilità termica e la Capacità termica specifica (cp)La capacità termica è una grandezza fisica specifica del materiale, determinata dalla quantità di calore fornita al campione, divisa per l'aumento di temperatura risultante. La capacità termica specifica è correlata all'unità di massa del campione. capacità termica specifica utilizzando l'analizzatore termico simultaneo STA 449 F3 . Il coefficiente di espansione termica e la conducibilità termica di questo campione sono stati caratterizzati anche con lo strumento di espansione termica DIL 402 Classic e con lo strumento di conducibilità termica LFA 467 HT HyperFlash. La temperatura di prova era compresa tra la temperatura ambiente e 800°C, l'intervallo di temperatura di scarico del motore.
Risultati dei test e discussione
I risultati delle misurazioni STA sono i seguenti. In primo luogo, dalla curva termogravimetrica (TGA) (figura 2), si può notare che il campione non subisce alcuna perdita di peso nell'intervallo di temperatura del test.
Dalla curva DSC (figura 3), si può notare che non presenta evidenti picchi di assorbimento o esotermia nell'intervallo di temperatura del test, ossia non si verifica alcuna Reazione di decomposizioneUna reazione di decomposizione è una reazione termicamente indotta di un composto chimico che forma prodotti solidi e/o gassosi. decomposizione o cambiamento di fase. Ciò indica che il campione presenta una buona Stabilità termicaUn materiale è termicamente stabile se non si decompone sotto l'influenza della temperatura. Un modo per determinare la stabilità termica di una sostanza è quello di utilizzare un TGA (analizzatore termogravimetrico). stabilità termica nell'intervallo di temperatura dello scarico del motore. Durante il test, lo zaffiro è stato utilizzato come campione standard ed è stato possibile ottenere contemporaneamente la Capacità termica specifica (cp)La capacità termica è una grandezza fisica specifica del materiale, determinata dalla quantità di calore fornita al campione, divisa per l'aumento di temperatura risultante. La capacità termica specifica è correlata all'unità di massa del campione. capacità termica specifica del campione con il metodo del rapporto. Dai risultati riportati in figura, si può notare che la Capacità termica specifica (cp)La capacità termica è una grandezza fisica specifica del materiale, determinata dalla quantità di calore fornita al campione, divisa per l'aumento di temperatura risultante. La capacità termica specifica è correlata all'unità di massa del campione. capacità termica specifica del campione aumenta con l'aumentare della temperatura, e la Capacità termica specifica (cp)La capacità termica è una grandezza fisica specifica del materiale, determinata dalla quantità di calore fornita al campione, divisa per l'aumento di temperatura risultante. La capacità termica specifica è correlata all'unità di massa del campione. capacità termica specifica a 50°C e 800°C è rispettivamente di 0,729 J/(g*K) e 0,969 J/(g*K). Rispetto alle ceramiche α-Al2O3 convenzionali (valori di calore specifico di 0,823 J/(g*K) e 1,237 J/(g*K) rispettivamente a 50°C e 800°C), il calore specifico di questo campione è inferiore. Per garantire l'efficacia del test del calore specifico, sono stati utilizzati crogioli di PtRh da 190 μl con rivestimento in Al2O3.
Prova del coefficiente di espansione termica
I risultati del test dilatometrico sono riportati nella figura 4. Si può notare che il campione di cordierite si restringe e poi si espande con l'aumentare della temperatura nell'intervallo compreso tra la temperatura ambiente e gli 800°C, con un picco di temperatura pari a 233,6°C. Il coefficiente di espansione termica (cioè il coefficiente ingegneristico di espansione) nell'intervallo 30°C-233,8°C è pari a -0,6316E-06 1/K. Il coefficiente di espansione termica nell'intervallo 30°C-800°C è pari a 0,4138E-06 1/K, il che indica che il coefficiente di espansione termica del campione è effettivamente small nell'intervallo di temperatura dello scarico del motore (la ceramica α-Al2O3 ha un coefficiente di espansione termica di 8,03E-06 1/K nell'intervallo da 25°C a 900°C). Vale la pena ricordare che, a causa del coefficiente di espansione termica small dei campioni, sia il portacampione che il provino sono stati realizzati in silice fusa per le prove.
Test di conducibilità termica
I risultati del test LFA (figura 5) sono i seguenti. LFA può misurare direttamente la Diffusività termicaLa diffusività termica (a con unità di misura mm2/s) è una proprietà specifica del materiale per caratterizzare la conduzione termica instabile. Questo valore descrive la velocità con cui un materiale reagisce a una variazione di temperatura.diffusività termica del campione. La Conduttività termicaLa conducibilità termica (λ con unità di misura W/(m-K)) descrive il trasporto di energia - sotto forma di calore - attraverso un corpo di massa come risultato di un gradiente di temperatura (vedi fig. 1). Secondo la seconda legge della termodinamica, il calore fluisce sempre nella direzione della temperatura più bassa.conduttività termica del campione può essere ottenuta moltiplicando la Diffusività termicaLa diffusività termica (a con unità di misura mm2/s) è una proprietà specifica del materiale per caratterizzare la conduzione termica instabile. Questo valore descrive la velocità con cui un materiale reagisce a una variazione di temperatura.diffusività termica, la densità e la Capacità termica specifica (cp)La capacità termica è una grandezza fisica specifica del materiale, determinata dalla quantità di calore fornita al campione, divisa per l'aumento di temperatura risultante. La capacità termica specifica è correlata all'unità di massa del campione. capacità termica specifica. L'intervallo di temperatura del test LFA è di 25°C-800°C, l'intervallo di temperatura è di 100 K e per ogni punto di temperatura vengono testati tre punti di infiammabilità. Dalle informazioni riportate nella tabella, si può notare che i risultati per i tre punti di infiammabilità allo stesso punto di temperatura sono molto vicini tra loro, il che indica che lo strumento ha una buona ripetibilità del test. Dal grafico di tendenza sottostante, si può notare che sia la Diffusività termicaLa diffusività termica (a con unità di misura mm2/s) è una proprietà specifica del materiale per caratterizzare la conduzione termica instabile. Questo valore descrive la velocità con cui un materiale reagisce a una variazione di temperatura.diffusività termica che la Conduttività termicaLa conducibilità termica (λ con unità di misura W/(m-K)) descrive il trasporto di energia - sotto forma di calore - attraverso un corpo di massa come risultato di un gradiente di temperatura (vedi fig. 1). Secondo la seconda legge della termodinamica, il calore fluisce sempre nella direzione della temperatura più bassa.conduttività termica del campione diminuiscono con l'aumentare della temperatura.
Conclusione
Nell'industria, le ceramiche porose a base di cordierite sono preparate con vari metodi, come l'impilamento delle particelle, la schiumatura e lo stampaggio per estrusione. Le proprietà delle ceramiche di cordierite ottenute con diversi metodi di preparazione e formulazioni hanno ciascuna i propri vantaggi e svantaggi.
In questo lavoro, un campione di cordierite è stato testato con i metodi STA, DIL e LFA per caratterizzare la Stabilità termicaUn materiale è termicamente stabile se non si decompone sotto l'influenza della temperatura. Un modo per determinare la stabilità termica di una sostanza è quello di utilizzare un TGA (analizzatore termogravimetrico). stabilità termica, il calore specifico, le proprietà di espansione termica e la conducibilità termica del campione.
NETZSCH dispone di una gamma completa di apparecchiature per l'analisi termica e il controllo delle proprietà fisiche e può fornire una gamma completa di soluzioni per l'analisi termica e il controllo delle ceramiche a nido d'ape di cordierite e di altre ceramiche portanti dei catalizzatori dei gas di scarico.