セメント原料の調査STA-FT-IR

はじめに

二酸化ケイ素、炭酸カルシウム、硫酸カルシウム二水和物、水酸化カルシウムを含むセメント原料の熱分析は、加熱中に起こりクリンカ形成の決め手となる複雑な物理的・化学的変換を調べるための重要なアプローチである。

TGA-DSCの同時測定により、質量変化とそれに伴う熱効果を複合的に見ることができ、広い温度範囲にわたる材料の全体的な熱挙動を包括的に説明することができます。FT-IRスペクトロスコピーで補完すると、熱事象と加熱中に放出されるガスの組成をリンクさせることにより、この技術はさらに拡張され、分析の解釈的価値が大幅に高まります。特に、PERSEUS^®® コンセプトに基づくダイレクトSTA-FT-IR カップリングは、FT-IR 分光計が STA 炉に直接取り付けられるため、デッドボリュームを最小限に抑えた非常に短い加熱ガス経路を実現し、熱信号と分光信号の同期に優れ、複雑な鉱物系の調査に特に有益であるという明確な利点をもたらします。small のフットプリントは、ほとんどのラボ環境に適合します。

測定条件

測定条件は表1に詳しい。

表1：測定条件

結果と考察

図1に示すTGA-DSCダイアグラムでは、セメントとセメント関連原料に一般的で、約1400℃までの全温度範囲に及ぶ、いくつかの熱プロセスのシーケンスが確認できる。

100〜200℃の温度範囲では、TGAシグナルにおいて約7.5%の質量減少が観察され、149℃にDTGの最小値、153℃と168℃にピークを持つ2つの吸熱（吸熱性）効果を伴っている。この領域は、硫酸カルシウム二水和物から半水和物および/または無水和物への脱水と同様に、物理的に結合した水の放出に特徴的である。

400℃から600℃の間では、さらに約3.5%の質量減少が起こり、約453℃のDTGシグナルとピーク温度457℃の吸熱（吸熱性）DSCピークを伴う。この挙動は、構造的に結合した水が放出される水酸化カルシウムの脱水素化に一般的である。

約575℃のDSCシグナルで観察される効果は、石英（SiO₂）の可逆的なα-β相変態に特徴的である。

700℃から850℃の間では、5.9%の質量減少が検出され、779℃の明確なDTG最小値および784℃のピーク温度を持つ吸熱（吸熱性）DSCシグナルと相関する。このステップは、炭酸カルシウムの熱分解、すなわちCO₂の放出を伴う脱炭酸に特徴的である。

1216℃のDSC効果は、ケイ酸塩相の形成を示す相転移のヒントである。

約1250℃以上では、約17％の質量減少が観察され、約1318℃と1386℃に最大値を持ついくつかの強いDSCシグナル、および1321℃と1386℃に顕著なDTGピークを伴う。他のプロセスの中でも、CaSO₄からCaOへの分解と、それに伴う硫黄酸化物の放出が、この温度範囲で起こる。加えて、これらの効果は、純粋な分解反応から、セメントやクリンカーに関連する系で一般的な高温誘導相転移や溶融プロセスの開始への移行も示している。

IRデータの全容を、温度と波数に依存した3Dプロットで図2に示す。TGA曲線は後方に赤色でプロットされ、IR強度の増加に対する質量損失の相関を示している。IRデータの詳細な評価のため、異なる温度で単一のIRスペクトルを取得し、EPA-NISTライブラリーと比較した。

これは硫酸カルシウムの脱水と水酸化カルシウムの脱水素化とよく相関している。炭酸塩の分解による二酸化炭素の放出は、550℃から800℃の間に見られた。最後の質量放出ステップでは、硫酸塩の分解から_SO2が放出された。ガス放出の痕跡は、TGA曲線と容易に相関させることができる（図3を参照）。

概要

セメントおよびセメント関連原料のSTA-FT-IR 分析は、加熱中に発生する物理的および化学的プロセスの包括的な特性評価を可能にする。TGAとDSCを組み合わせることで、質量変化とそれに伴う熱影響が同時に記録され、FT-IRをカップリングすることで、これらの過程で放出されるガスの明確な同定が可能になります。これにより、脱水、脱水素、脱炭酸、硫酸分解など、個々の反応ステップを明確に特定することができる。この方法の主な利点は、質量損失、熱効果、ガス組成の間に直接的な相関関係があることで、重複する反応の解釈におけるあいまいさを大幅に減らすことができる。

STA-FT-IR このため、セメント原料とクリンカ形成プロセスの分析と最適化のための強力なツールとなる。