Inleiding
De thermogravimetriemethoden (TGA) zijn bijzonder geschikt voor het onderzoeken van verbrandingsprocessen. Ze maken snelle conclusies mogelijk met betrekking tot de Thermische stabiliteitEen materiaal is thermisch stabiel als het niet ontleedt onder invloed van temperatuur. Een manier om de thermische stabiliteit van een stof te bepalen is door een TGA (thermogravimetrische analyser) te gebruiken. thermische stabiliteit van de meestal vaste brandstof, evenals de reactietemperatuur en verbrandingskinetiek. Bovendien kan zowel het massaverlies tijdens een verbrandingsreactie als de inhoud van niet-brandbare minerale as gekwantificeerd worden. In tegenstelling tot andere reacties zoals ontleding of het vrijkomen van vocht of oplosmiddelen, is verbranding een vaste-gasreactie. Daarom moeten niet alleen alle gebruikelijke parameters zoals monstermassa, verwarmingssnelheid en spoelgasstroom constant worden gehouden, maar worden de meetresultaten ook beïnvloed door het oppervlak van het monster, de zuurstofconcentratie en de geometrie van de filterkroes, die allemaal de toegang van het reactiegas tot het vaste monster kunnen beperken.
Om dit probleem op te lossen, werd een serie metingen uitgevoerd met een NETZSCH STA met verschillende geometrieën van de kroes onder verder identieke omstandigheden. De verschillende smeltkroezen worden getoond in de figuren 1 en 3; daaronder is ook een doorboorde DTA smeltkroes die vergroot wordt getoond in figuur 2 [1].
De onderzochte koolstofmonsters zijn verschillende standaardmonsters zoals NIST 2975, Printex 90, actieve kool en koolstofbolletjes. Deze hebben een diameter van ongeveer 1 mm tot 2 mm en een anorganische structuur. De gemiddelde deeltjesgrootte van de poedermonsters ligt tussen 20 nm en 50 nm.
Resultaten
Voor het onderzoek van roet NIST 2975 werden de kroesttypes uit figuur 1 gebruikt. Het verband tussen de kroesdiameter en de vullingsgraad van de monsters (voor dezelfde monstermassa) is te zien in figuur 3 en tabel 1.
Tabel 1: Afmetingen van de kroezen in figuur 1
Afmetingen (mm) | Opschuifbaar plaat | Korte DTA kroes | DTA kroes | DTA kroes, doorboord | Mini DTA* |
|---|---|---|---|---|---|
| Ø buiten | 10 | 8 | 8 | 8 | 5 |
| Ø binnen | 10 | 6 | 6 | 6 | 4 |
*alleen ter vergelijking; deze kroes maakt geen deel uit van het NETZSCH kroesassortiment
Bij gebruik van zuurstof als spoelgas zijn er al small verschillen tussen de verschillende kroesgeometrieën te vinden met betrekking tot de verbrandingstemperatuur en met betrekking tot de verbrandingssnelheid (DTG) (figuur 4).
Als de zuurstofconcentratie in het spoelgas echter wordt verlaagd tot 20% (figuur 5) of 5% (figuur 6), blijkt de geometrie van de filterkroes een steeds belangrijkere rol te spelen. De doorboorde DTA-kroes en de opsteekplaat zorgen uiteraard voor een betere toegang van het reactiegas zuurstof tot het monster. Echter, hoe slechter de toegang van het reactiegas tot het vaste monster, hoe groter de neiging om de reactie naar hogere temperaturen te verschuiven en hoe lager de reactiesnelheid (DTG). Bij een stikstof-zuurstof-spoelgasverhouding van 95:5 is de doorboorde DTA-kroes bijna net zo "snel" als de glijplaat. Met betrekking tot het reactiegedrag komen de doorboorde DTA-kroes (figuur 2) en de korte DTA-kroes het dichtst in de buurt van de glijplaat, waarbij de monsterbehandeling voor deze twee kroestypes aanzienlijk eenvoudiger is dan voor de glijplaat.
De afhankelijkheid van de resultaten van het zuurstofgehalte in het spoelgas wordt geïllustreerd in figuur 7.
De vergelijking van verschillende soorten carbon black laat significante verschillen zien tussen alle te bepalen karakteristieke waarden zoals Thermische stabiliteitEen materiaal is thermisch stabiel als het niet ontleedt onder invloed van temperatuur. Een manier om de thermische stabiliteit van een stof te bepalen is door een TGA (thermogravimetrische analyser) te gebruiken. thermische stabiliteit, verbrandingstemperatuur, verbrandingssnelheid en restmassa (figuren 8 en 9).
Conclusie
De gepresenteerde metingen tonen aan dat de geometrie van de kroes een significante invloed kan hebben op de interactie tussen het monster en het spoelgas. De verbrandingsreactie van roet werd hier als voorbeeld gebruikt. Onder verder identieke meetomstandigheden, zolang hetzelfde type kroes werd gebruikt binnen één testserie, was een vergelijkende evaluatie van de monsters mogelijk. Het effect van basismeetomstandigheden, inclusief het type kroes, op de reactiesnelheid moet altijd worden overwogen bij het uitvoeren van kinetische studies. In dit geval bleken de glijplaat en de doorboorde kroes geschikt.