소개
콜타르나 석유와 같은 유기 물질의 증류에서 추출한 복잡한 탄소질 물질인 피치는 야금에서 탄소 섬유 생산에 이르기까지 다양한 산업에서 널리 사용됩니다. 피치의 열 안정성과 분해 거동을 이해하는 것은 탄소 기반 소재 및 복합재 제조와 같은 고온 응용 분야에서의 성능에 직접적인 영향을 미치기 때문에 매우 중요합니다.
측정 조건
이 연구에서는 피치 샘플의 열 안정성을 탐구하고 분해 경로와 방출되는 휘발성 종의 특성을 더 잘 이해하기 위해 상세한 가스 분석을 수행합니다. 이러한 분석을 통해 피치의 열 거동을 규명하여 신소재 개발과 기존 산업 공정의 개선에 도움이 되는 귀중한 데이터를 제공하는 것을 목표로 합니다.
측정은 NETZSCH PERSEUS® STA Jupiter® 시스템으로 수행되었습니다. 측정 매개변수는 표 1에 자세히 나와 있습니다.
표 1: 측정 매개변수
| 샘플 모드 | TG-FT-IR |
|---|---|
| 가열 속도 | 10 K/min |
| 시료 질량 | 77.0.3ml Al2O3 도가니에서 19mg |
| 온도 프로그램 | RT - 1000°C |
| 퍼지 가스 분위기 | 질소 중 산소 14% |
| 퍼지 가스 양 | 70 ml/min |
| 스펙트럼 측정 범위 | 4400 - 650 cm-1 |
| 해상도 | 4 cm-1 |
결과 및 토론
TGA 및 DTG 곡선에서 피치 샘플에 4단계의 질량 손실 단계가 있음을 알 수 있었습니다(그림 1 참조). 첫 번째 질량 손실 단계는 RT와 400°C 사이에서 11.1%의 질량 변화로 감지되었습니다. 두 번째 단계는 400°C와 450°C 사이에서 35.5%의 질량 변화와 함께 발생했습니다. 450°C와 500°C 사이의 세 번째 질량 손실 구간에서는 21.8%의 질량 변화가 발생했습니다. 네 번째 단계는 500°C와 1000°C 사이에서 31.3%의 질량 변화와 함께 관찰되었습니다. 잔여 질량은 0.2%에 달했습니다. DTG 곡선은 질량 손실률을 반영하는 TGA 곡선의 1차 도함수입니다. 이 네 가지 질량 변화에 대한 DTG 피크 온도는 386°C, 439°C, 455°C 및 555°C에서 발생합니다.
그램 슈미트 곡선은 전체 IR 강도를 표시하며 질량 손실률(DTG)의 거울 이미지처럼 작동합니다. 또한 질량 손실 단계 동안의 최대 강도를 보여줍니다. 이는 진화한 기체와 IR 빔의 상호 작용을 증명합니다.
그림 2는 RT와 1000°C 사이의 대기 중 피치에서 TGA-FT-IR 커플 링 테스트에서 진화한 가스의 3D 그래프를 보여줍니다. FT-IR 장치의 OPUS 소프트웨어에서 이 측정 큐브 디스플레이를 모든 방향으로 회전하여 방출된 기록된 가스를 정확하게 볼 수 있습니다.
그림 3의 적외선 스펙트럼을 통해 400°C~500°C에서 피치의 기체 생성물에는 주로 CH4,CO2, CO 및 H2O의방출이 포함된다는 것을 추정할 수 있습니다. 미량의 메탄올과 에텐, 알데히드(1600~1800cm-1 사이의 유의미한 적외선 진동)와 탄화수소(2700~3000cm-1 사이의 유의미한 적외선 진동)도 감지할 수 있습니다. 물론 방향족 화합물도 방출됩니다. 그러나 여기서는 확인되지 않았습니다. 이는 많은 지방족 및 방향족 물질이 동시에 방출된다는 것을 나타냅니다. 잔류 생성물은 아마도 탈수소화되어 아스팔트 바인더의 호기성 열분해 단계에 속하는 장쇄 고분자로 중합되었을 것입니다 [1].
500°C~700°C에서는 그림 3의 적외선 스펙트럼 분석 결과와 함께 피치 연소 단계로 추정됩니다. 300°C~500°C에 비해 무기 기체인 H2O,CO2, SO2, CO의 방출은 크게 증가했지만 동시에 CH4, 알데히드, C-C, C=C 등 유기 화합물의 방출은 크게 감소하거나 심지어 사라진 것을 확인할 수 있습니다[2]. 이는 온도가 상승함에 따라 산화 반응이 지배적이라는 것을 증명합니다.
서로 다른 물질 또는 작용기의 파수를 통합하여 물질 또는 작용기의 온도 의존적 방출을 얻을 수 있었습니다. 그림 4는 세 가지 물질과 두 가지 작용기의 피치 및 파수 통합 곡선의 TGA 곡선을 보여줍니다. 탄화수소와 알데히드는 처음 세 질량 손실 단계에 존재하는 반면 CO,CO2 및 물은 네 가지 질량 손실 단계 모두에 존재하며CO2는 네 번째 질량 손실 단계에서 최대 방출을 보이는 것을 볼 수 있습니다.
표 2: 다양한 물질/기능성 그룹에 대한 적분 파수 간격
| 물질/기능성 그룹 | 적분 파수 범위 |
| C-H(진한 파란색) | 3200 - 2600 cm-1 |
| C=O(보라색) | 1900 - 1600 cm-1 |
| CO2 (하늘색) | 2400 - 2250 cm-1 |
| H2O(검은색) | 4000 - 3800 cm-1 |
| CO(올리브색) | 2200 - 2000 cm-1 |
결론
이 피치 재료 연구에서는 적외선 분광법(FT-IR)과 함께 열 분석 기술을 광범위하고 심도 있게 적용했습니다. TGA를 사용하면 제어된 온도 절차에서 시료의 질량 변화를 측정할 수 있어 피치의 열 분해 온도와 휘발성 함량을 파악할 수 있습니다.
FT-IR 분석과 결합하면 기능기의 형성 또는 파괴와 같은 다양한 온도에서 피치의 분자 구조 변화를 추가로 식별하여 열 안정성 및 노화 메커니즘에 대한 포괄적 인 평가를 제공 할뿐만 아니라 피치 재료의 심층 연구 및 혁신적인 개발을위한 탄탄한 이론적 기반과 기술 지원을 제공 할 수 있습니다.