Introdução
O piche, um material carbonáceo complexo derivado da destilação de substâncias orgânicas, como alcatrão de carvão ou petróleo, é amplamente utilizado em setores que vão da metalurgia à produção de fibra de carbono. Compreender a Estabilidade térmicaUm material é termicamente estável se não se decompõe sob a influência da temperatura. Uma maneira de determinar a estabilidade térmica de uma substância é usar um TGA (analisador termogravimétrico). estabilidade térmica e o comportamento de Reação de decomposiçãoUma reação de decomposição é uma reação induzida termicamente de um composto químico que forma produtos sólidos e/ou gasosos. decomposição do piche é fundamental, pois essas propriedades influenciam diretamente seu desempenho em aplicações de alta temperatura, como a fabricação de materiais e compostos à base de carbono.
Condições de medição
Neste estudo, exploramos a Estabilidade térmicaUm material é termicamente estável se não se decompõe sob a influência da temperatura. Uma maneira de determinar a estabilidade térmica de uma substância é usar um TGA (analisador termogravimétrico). estabilidade térmica de amostras de piche e realizamos análises detalhadas de gás para entender melhor os caminhos de Reação de decomposiçãoUma reação de decomposição é uma reação induzida termicamente de um composto químico que forma produtos sólidos e/ou gasosos. decomposição e a natureza das espécies voláteis liberadas. Por meio dessas análises, pretendemos elucidar o comportamento térmico do piche, fornecendo dados valiosos que podem informar tanto o desenvolvimento de novos materiais quanto o aprimoramento dos processos industriais existentes.
A medição foi realizada com um sistema NETZSCH PERSEUS® STA Jupiter®. Os parâmetros de medição estão detalhados na tabela 1.
Tabela 1: Parâmetros de medição
| Modo de amostra | TG-FT-IR |
|---|---|
| Taxa de aquecimento | 10 K/min |
| Massa da amostra | 77.19 mg em um cadinho de Al2O3 de 0,3 ml |
| Programa de temperatura | RT - 1000°C |
| Atmosfera de gás de purga | 14% de oxigênio em nitrogênio |
| Quantidade de gás de purga | 70 ml/min |
| Faixa de medição espectral | 4400 - 650 cm-1 |
| Resolução | 4 cm-1 |
Resultados e discussão
A partir das curvas de TGA e DTG, constatou-se que havia quatro etapas de perda de massa na amostra de pitch; veja a figura 1. A primeira etapa de perda de massa foi detectada entre RT e 400°C, com uma alteração de massa de 11,1%. A segunda etapa ocorreu entre 400°C e 450°C, com uma alteração de massa de 35,5%. O terceiro intervalo de perda de massa entre 450°C e 500°C resultou em uma alteração de massa de 21,8%. A quarta etapa foi observada entre 500°C e 1000°C, com uma alteração de massa de 31,3%. A massa residual foi de 0,2%. A curva DTG é a derivada de primeira ordem da curva TGA, que reflete a taxa de perda de massa. As temperaturas de pico do DTG para essas quatro alterações de massa ocorrem a 386°C, 439°C, 455°C e 555°C.
A curva de Gram Schmidt exibe as intensidades gerais de IR e se comporta como uma imagem espelhada da taxa de perda de massa (DTG). Ela também mostra intensidades máximas durante as etapas de perda de massa. Isso comprova a interação dos gases evoluídos com o feixe de IV.
A Figura 2 mostra um gráfico 3D do gás evoluído do teste de acoplamento TGA-FT-IR do piche sob atmosfera de ar entre RT e 1000°C. No software OPUS do dispositivo FT-IR, essa exibição em cubo da medição pode ser girada em todas as direções para obter uma visão exata dos gases registrados liberados.
Pode-se presumir, a partir dos espectros de infravermelho da figura 3, que os produtos gasosos do piche entre 400°C e 500°C incluem principalmente a liberação de CH4,CO2, CO e H2O. Também podem ser detectados traços de metanol e eteno, aldeídos (VibraçãoUm processo mecânico de oscilação é chamado de vibração. A vibração é um fenômeno mecânico em que ocorrem oscilações em torno de um ponto de equilíbrio. Em muitos casos, a vibração é indesejável, desperdiçando energia e criando sons indesejados. Por exemplo, os movimentos vibratórios de motores, motores elétricos ou qualquer dispositivo mecânico em operação geralmente são indesejados. Essas vibrações podem ser causadas por desequilíbrios nas peças rotativas, atrito desigual ou engrenagem dos dentes da engrenagem. Projetos cuidadosos geralmente minimizam as vibrações indesejadas.vibração significativa de IR entre 1600 e 1800 cm-1) e hidrocarbonetos (VibraçãoUm processo mecânico de oscilação é chamado de vibração. A vibração é um fenômeno mecânico em que ocorrem oscilações em torno de um ponto de equilíbrio. Em muitos casos, a vibração é indesejável, desperdiçando energia e criando sons indesejados. Por exemplo, os movimentos vibratórios de motores, motores elétricos ou qualquer dispositivo mecânico em operação geralmente são indesejados. Essas vibrações podem ser causadas por desequilíbrios nas peças rotativas, atrito desigual ou engrenagem dos dentes da engrenagem. Projetos cuidadosos geralmente minimizam as vibrações indesejadas.vibração significativa de IR entre 2700 e 3000 cm-1). Obviamente, compostos aromáticos também são liberados. No entanto, eles não foram identificados aqui. Isso indica que muitas substâncias alifáticas e aromáticas são liberadas ao mesmo tempo. Os produtos residuais provavelmente são desidrogenados e polimerizados em macromoléculas de cadeia longa, que pertencem ao estágio de craqueamento térmico aeróbico do ligante asfáltico [1].
De 500°C a 700°C, supõe-se que seja o estágio de combustão do piche em combinação com os resultados da análise espectral de infravermelho na figura 3. Em comparação com 300°C a 500°C, pode-se constatar que a liberação de gases inorgânicos H2O,CO2, SO2 e CO aumentou significativamente, mas, ao mesmo tempo, a liberação de compostos orgânicos como CH4, aldeídos, C-C e C=C diminuiu significativamente ou até mesmo desapareceu [2]. Isso prova que a reação de OxidaçãoA oxidação pode descrever diferentes processos no contexto da análise térmica.oxidação predomina à medida que a temperatura aumenta.
Integrando os números de onda de diferentes substâncias ou grupos funcionais, foi possível obter uma liberação dependente da temperatura da substância ou do grupo funcional. A Figura 4 mostra as curvas de TGA do piche e as curvas de integração do número de onda de três substâncias e dois grupos funcionais. É possível observar que os hidrocarbonetos e aldeídos estão presentes nas três primeiras etapas de perda de massa, enquanto o CO, oCO2 e a água estão presentes em todas as quatro etapas de perda de massa; além disso,o CO2 mostra sua liberação máxima na quarta etapa de perda de massa.
Tabela 2: Intervalos de número de onda integral para diferentes substâncias/grupos funcionais
| Substâncias/grupo funcional | Intervalo de número de onda integral |
| C-H (azul escuro) | 3200 - 2600 cm-1 |
| C=O (roxo) | 1900 - 1600 cm-1 |
| CO2 (azul claro) | 2400 - 2250 cm-1 |
| H2O(preto) | 4000 - 3800 cm-1 |
| CO (oliva) | 2200 - 2000 cm-1 |
Conclusão
A aplicação de técnicas de análise térmica em combinação com espectroscopia de infravermelho (FT-IR) nesse estudo de materiais de piche é extensa e aprofundada. A TGA permite a medição da mudança de massa de uma amostra sob procedimentos de temperatura controlada, o que pode revelar a temperatura de Reação de decomposiçãoUma reação de decomposição é uma reação induzida termicamente de um composto químico que forma produtos sólidos e/ou gasosos. decomposição térmica e o conteúdo volátil do piche.
Combinada com a análise FT-IR, ela pode identificar ainda mais as mudanças na estrutura molecular do piche em diferentes temperaturas, como a formação ou a fratura de grupos funcionais, fornecendo assim uma avaliação abrangente da Estabilidade térmicaUm material é termicamente estável se não se decompõe sob a influência da temperatura. Uma maneira de determinar a estabilidade térmica de uma substância é usar um TGA (analisador termogravimétrico). estabilidade térmica e do mecanismo de envelhecimento, além de fornecer uma base teórica sólida e suporte técnico para a pesquisa aprofundada e o desenvolvimento inovador de materiais de piche.