Wprowadzenie
Pak, złożony materiał węglowy pochodzący z destylacji substancji organicznych, takich jak smoła węglowa lub ropa naftowa, jest szeroko stosowany w różnych gałęziach przemysłu, od metalurgii po produkcję włókien węglowych. Zrozumienie stabilności termicznej i rozkładu paku ma kluczowe znaczenie, ponieważ właściwości te bezpośrednio wpływają na jego wydajność w zastosowaniach wysokotemperaturowych, takich jak produkcja materiałów i kompozytów na bazie węgla.
Warunki pomiaru
W tym badaniu badamy stabilność termiczną próbek smoły i przeprowadzamy szczegółową analizę gazu, aby lepiej zrozumieć ścieżki rozkładu i charakter uwalnianych lotnych substancji. Dzięki tym analizom staramy się wyjaśnić zachowanie termiczne smoły, dostarczając cennych danych, które mogą pomóc zarówno w opracowywaniu nowych materiałów, jak i ulepszaniu istniejących procesów przemysłowych.
Pomiar został przeprowadzony za pomocą systemu NETZSCH PERSEUS® STA Jupiter®. Parametry pomiarowe są wyszczególnione w tabeli 1.
Tabela 1: Parametry pomiaru
| Tryb próbki | TG-FT-IR |
|---|---|
| Szybkość ogrzewania | 10 K/min |
| Masa próbki | 77.19 mg w tyglu Al2O3 o pojemności 0,3 ml |
| Program temperatury | RT - 1000°C |
| Atmosfera gazu oczyszczającego | 14% tlenu w azocie |
| Ilość gazu oczyszczającego | 70 ml/min |
| Zakres pomiaru spektralnego | 4400 - 650 cm-1 |
| Rozdzielczość | 4 cm-1 |
Wyniki i dyskusja
Na podstawie krzywych TGA i DTG stwierdzono, że w próbce smoły wystąpiły cztery etapy utraty masy; patrz rysunek 1. Pierwszy etap utraty masy został wykryty między RT a 400°C ze zmianą masy wynoszącą 11,1%. Drugi etap wystąpił między 400°C a 450°C ze zmianą masy o 35,5%. Trzeci interwał utraty masy między 450°C a 500°C spowodował zmianę masy o 21,8%. Czwarty etap zaobserwowano między 500°C a 1000°C ze zmianą masy o 31,3%. Masa resztkowa wyniosła 0,2%. Krzywa DTG jest pochodną pierwszego rzędu krzywej TGA, która odzwierciedla szybkość utraty masy. Szczytowe temperatury DTG dla tych czterech zmian masy występują w 386°C, 439°C, 455°C i 555°C.
Krzywa Grama Schmidta wyświetla ogólną intensywność w podczerwieni i zachowuje się jak lustrzane odbicie szybkości utraty masy (DTG). Pokazuje również maksymalne natężenia podczas etapów utraty masy. Dowodzi to interakcji wyemitowanych gazów z wiązką podczerwieni.
Rysunek 2 przedstawia wykres 3D wydzielonego gazu z testu sprzężenia TGA-FT-IR smoły w atmosferze powietrza w temperaturze od RT do 1000°C. W oprogramowaniu OPUS urządzenia FT-IR ten sześcienny wyświetlacz pomiaru można obracać we wszystkich kierunkach, aby uzyskać dokładny widok zarejestrowanych uwolnionych gazów.
Na podstawie widm w podczerwieni z rysunku 3 można założyć, że gazowe produkty smoły w temperaturze od 400°C do 500°C obejmują głównie uwalnianie CH4,CO2, CO iH2O. Można również wykryć ślady metanolu i etenu, aldehydów (znaczące drgania w podczerwieni między 1600 a 1800 cm-1) i węglowodorów (znaczące drgania w podczerwieni między 2700 a 3000 cm-1). Oczywiście uwalniane są również związki aromatyczne. Nie zostały one jednak tutaj zidentyfikowane. Wskazuje to, że wiele substancji alifatycznych i aromatycznych jest uwalnianych w tym samym czasie. Produkty resztkowe są prawdopodobnie odwodnione i spolimeryzowane do długołańcuchowych makrocząsteczek, które należą do etapu tlenowego krakingu termicznego lepiszcza asfaltowego [1].
W temperaturze od 500°C do 700°C zakłada się, że jest to etap spalania smoły w połączeniu z wynikami analizy widmowej w podczerwieni na rysunku 3. W porównaniu z temperaturą od 300°C do 500°C można stwierdzić, że uwalnianie gazów nieorganicznychH2O,CO2, SO2 i CO znacznie wzrosło, ale jednocześnie uwalnianie związków organicznych, takich jak CH4, aldehydy, C-C i C=C znacznie spadło lub nawet zanikło [2]. Dowodzi to, że reakcja utleniania dominuje wraz ze wzrostem temperatury.
Integrując liczby falowe różnych substancji lub grup funkcyjnych, możliwe było uzyskanie zależnego od temperatury uwalniania substancji lub grupy funkcyjnej. Rysunek 4 przedstawia krzywe TGA smoły i krzywe integracji liczb falowych trzech substancji i dwóch grup funkcyjnych. Można zauważyć, że węglowodory i aldehydy są obecne w pierwszych trzech etapach ubytku masy, podczas gdy CO,CO2 i woda są obecne we wszystkich czterech etapach ubytku masy; ponadtoCO2 wykazuje maksymalne uwalnianie w czwartym etapie ubytku masy.
Tabela 2: Przedziały całkowitej liczby falowej dla różnych substancji/grup funkcjonalnych
| Substancje/grupa funkcjonalna | Integralny zakres liczb falowych |
| C-H (ciemnoniebieski) | 3200 - 2600 cm-1 |
| C=O (fioletowy) | 1900 - 1600 cm-1 |
| CO2 (jasnoniebieski) | 2400 - 2250 cm-1 |
| H2O(czarny) | 4000 - 3800 cm-1 |
| CO (oliwkowy) | 2200 - 2000 cm-1 |
Wnioski
Zastosowanie technik analizy termicznej w połączeniu ze spektroskopią w podczerwieni (FT-IR) w tym badaniu materiałów smołowych jest rozległe i dogłębne. TGA pozwala na pomiar zmiany masy próbki w warunkach kontrolowanej temperatury, co może ujawnić temperaturę rozkładu termicznego i zawartość substancji lotnych w smole.
W połączeniu z analizą FT-IR, może dalej identyfikować zmiany w strukturze molekularnej smoły w różnych temperaturach, takie jak tworzenie lub pękanie grup funkcyjnych, zapewniając w ten sposób kompleksową ocenę stabilności termicznej i mechanizmu starzenia, a także zapewniając solidne podstawy teoretyczne i wsparcie techniczne dla dogłębnych badań i innowacyjnego rozwoju materiałów smołowych.