Dicas e truques

Investigações sobre a influência da geometria do cadinho na combustão de diferentes amostras de negro de fumo

Os métodos de termogravimetria (TGA) são particularmente adequados para a investigação de processos de combustão.

Eles permitem conclusões rápidas com relação à Estabilidade térmicaUm material é termicamente estável se ele 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 do combustível majoritariamente sólido, bem como à temperatura da reação e à cinética da combustão. Além disso, a perda de massa durante uma reação de combustão e o Conteúdo de cinzasA cinza é uma medida do conteúdo de óxido mineral em uma base de peso. A análise termogravimétrica (TGA) em uma atmosfera oxidativa é um método comprovado para determinar o resíduo inorgânico, comumente chamado de cinza, em materiais orgânicos, como polímeros, borrachas etc. Portanto, a medição de TGA Identify se um material é preenchido e calcula o conteúdo total de preenchimento.conteúdo de cinzas minerais não combustíveis podem ser quantificados. Ao contrário de outras reações, como decomposições ou a liberação de umidade ou solventes, a combustão é uma reação sólido-gás. Portanto, não apenas todos os parâmetros habituais, como massa da amostra, taxa de aquecimento e fluxo de gás de purga, devem ser mantidos constantes, mas os resultados da medição também são influenciados pela superfície da amostra, pela concentração de oxigênio e pela geometria do cadinho, que podem limitar o acesso do gás de reação à amostra sólida.

Para resolver esse problema, foi realizada uma série de medições com um NETZSCH STA usando diferentes geometrias de cadinho sob condições de teste idênticas.

Cadinhos de Al2O3 variados exibidos da esquerda para a direita: placa deslizante, DTA curto, DTA padrão, DTA perfurado, cadinhos mini DTA. — Fig. 1. Variedade de cadinhos de Al2O3 (da esquerda para a direita): placa deslizante, cadinho DTA curto, cadinho DTA padrão, cadinho DTA perfurado, mini cadinho DTA

Cadinho DTA perfurado para análise termogravimétrica, com orifícios para melhor acesso ao gás, aumentando a eficiência da combustão. — Fig. 2. Cadinho perfurado

Cadinhos DTA variados em vários formatos e tamanhos, exibidos nas vistas frontal e superior para aplicações de análise termogravimétrica. — Fig. 3. Conjunto de cadinhos, vista frontal (acima), vista superior (abaixo)

Os diferentes cadinhos são mostrados nas figuras 1 e 3; entre eles, há também um cadinho de DTA perfurado, que é mostrado em uma escala emlarged na figura 2 [1].

As amostras de Preto carbonoA temperatura e a atmosfera (gás de purga) afetam os resultados da mudança de massa. Ao alterar a atmosfera, por exemplo, de nitrogênio para ar durante a medição de TGA, é possível separar e quantificar os aditivos, por exemplo, o negro de fumo, e o polímero em massa.negro de fumo investigadas são diferentes amostras padrão, como NIST 2975, Printex 90, carvão ativado e bolas de carbono. Elas têm um diâmetro de aproximadamente 1 mm a 2 mm e uma estrutura inorgânica. O tamanho médio de partícula das amostras restantes é indicado entre 20 nm e 50 nm.

Resultado: Para a investigação do Preto carbonoA temperatura e a atmosfera (gás de purga) afetam os resultados da mudança de massa. Ao alterar a atmosfera, por exemplo, de nitrogênio para ar durante a medição de TGA, é possível separar e quantificar os aditivos, por exemplo, o negro de fumo, e o polímero em massa.negro de fumo NIST 2975, foram empregados os tipos de cadinhos apresentados na figura 1. As relações entre o diâmetro do cadinho e o nível de enchimento das amostras (para a mesma massa de amostra) podem ser vistas na figura 3 e na tabela 1.

Dimensões dos cadinhos mostrados na figura 1

Dimensões	Placa deslizante	Cadinho DTA curto	Cadinho DTA	Cadinho DTA, perfurado	Mini DTA*
Ø externo	10	8	8	8	5
Ø interno	10	6	6	6	4
Altura	0	3	12	12

* apenas para comparação; este cadinho não faz parte do sortimento de produtos do cadinho NETZSCH

small Ao usar oxigênio como gás de purga, já é possível encontrar diferenças entre as várias geometrias de cadinho em relação à temperatura de combustão e à taxa de combustão (DTG) (figura 4). Entretanto, se a concentração de oxigênio no gás de purga for reduzida para 20% (figura 5) ou 5% (figura 6), a geometria do cadinho parece desempenhar um papel cada vez mais importante. O cadinho de DTA perfurado e a placa deslizante obviamente permitem um melhor acesso do oxigênio do gás de reação à amostra. Entretanto, quanto pior for o acesso do gás de reação à amostra sólida, maior será a tendência de a reação se deslocar para temperaturas mais altas e menor será a taxa de reação (DTG). Com uma proporção de gás de purga de nitrogênio para oxigênio de 95:5, o cadinho de DTA perfurado é quase tão "rápido" quanto a placa deslizante. Com relação ao comportamento da reação, o cadinho DTA perfurado (figura 2) e o cadinho DTA curto são os que mais se aproximam da placa deslizante, sendo que o manuseio da amostra para esses dois tipos de cadinho é significativamente mais fácil do que para a placa deslizante.

Gráfico de análise TGA-DTA para a amostra NIST 2975 ilustrando a temperatura de combustão e as taxas de reação com 100% de oxigênio. — Fig. 4. Resultados de TGA-DTA para a amostra NIST 2975 (100% O2)

Gráfico TGA-DTG exibindo os resultados de combustão da amostra NIST 2975 a 20% de O2, ilustrando as variações de temperatura e taxa de reação. — Fig. 5. Resultados de TGA-DTG para a amostra NIST 2975 (20% O2)

Resultados de TGA-DTG para a amostra NIST 2975 a 5% de O2, mostrando a temperatura e a taxa de combustão para várias geometrias de cadinho. — Fig. 6. Resultados de TGA-DTG para a amostra NIST 2975 (5% O2)

Gráfico que ilustra a relação entre a temperatura de combustão e o teor de oxigênio no gás de purga, destacando vários tipos de cadinhos. — Fig. 7. Os resultados em função do teor de oxigênio no gás de purga

Comparação dos resultados de combustão de quatro amostras de negro de fumo (NIST 2975, Printex 90, carvão ativado, esferas) usando a análise TGA. — Fig. 8. Comparação das quatro amostras diferentes de Preto carbonoA temperatura e a atmosfera (gás de purga) afetam os resultados da mudança de massa. Ao alterar a atmosfera, por exemplo, de nitrogênio para ar durante a medição de TGA, é possível separar e quantificar os aditivos, por exemplo, o negro de fumo, e o polímero em massa.negro de fumo (TGA, cadinho curto de DTA)

Comparação dos resultados de DTG para carvão ativado, NIST 2975, Printex 90 e bolas de carvão em todas as faixas de temperatura. — Fig. 9. Comparação das quatro amostras diferentes de Preto carbonoA temperatura e a atmosfera (gás de purga) afetam os resultados da mudança de massa. Ao alterar a atmosfera, por exemplo, de nitrogênio para ar durante a medição de TGA, é possível separar e quantificar os aditivos, por exemplo, o negro de fumo, e o polímero em massa.negro de fumo (DTG, cadinho curto de DTA)

A dependência dos resultados em relação ao teor de oxigênio no gás de purga é ilustrada na figura 7.

A comparação de diferentes tipos de Preto carbonoA temperatura e a atmosfera (gás de purga) afetam os resultados da mudança de massa. Ao alterar a atmosfera, por exemplo, de nitrogênio para ar durante a medição de TGA, é possível separar e quantificar os aditivos, por exemplo, o negro de fumo, e o polímero em massa.negro de fumo mostra diferenças significativas entre todos os valores característicos a serem determinados, como Estabilidade térmicaUm material é termicamente estável se ele 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, temperatura de combustão, taxa de combustão e massa residual (figuras 8 e 9).

Conclusão:
Os fatores influentes descritos seriam importantes para qualquer tipo de avaliação e interpretação dos resultados de medição. No entanto, eles são praticamente essenciais para tirar conclusões sobre a cinética da combustão. Isso ocorre porque o objetivo de tais avaliações deve ser descrever a reação de combustão em si mesma, e não uma combinação da reação de combustão com condições de limite sobrepostas da configuração de teste.

Literatura

1] Protective Anti-Oxidation Coatings for Hot Gas Piping Systems and Their Characterization by Means of a High-Speed Furnace, Thomas Hutsch et.al., NETZSCH ^OnSet10, p. 6 - 9