Introducere
Miliarde de kilograme de covoare sunt generate anual în întreaga lume, dintre care un procent de large ajunge la gropile de gunoi, ceea ce este problematic deoarece nailonul nu este biodegradabil. Limitele capacității depozitelor de deșeuri și impactul asupra mediului al eliminării deșeurilor de covoare în acest mod au făcut din recuperarea nailonului din deșeurile de covoare o activitate din ce în ce mai importantă.
Deoarece compozițiile covoarelor variază și pot conține nailon-6 și/sau nailon-6,6 împreună cu o varietate de alte materiale, cum ar fi alte fibre polimerice (de exemplu, PP, PE, poliester), adeziv latex, coloranți și umpluturi anorganice (de exemplu, CaCO3 și BaSO4),1 caracterizarea compoziției covoarelor reziduale și a profilului de Reacția de descompunereO reacție de descompunere este o reacție indusă termic a unui compus chimic care formează produse solide și/sau gazoase. descompunere termică al acestora este esențială pentru procesul de reciclare. Analiza termogravimetrică (TGA) cuplată cu analiza gazelor evoluate (EGA) prin FT-IR, MS sau GC-MS permite analiza simultană a profilului de pierdere de masă termică a unui material și identificarea speciilor gazoase evoluate în timpul descompunerii.
În acest studiu, materialul recuperat din deșeuri de covoare a fost analizat prin TGA-FT-IR, TGA-MS și TGA-GC-MS pentru a compara capacitățile celor trei metode combinate de analiză termică/analiză a gazelor evoluate pentru identificarea compoziției covorului reciclat.
1C. Mihut, D. K. Căpitan, F. Gadala-Maria și M.D. Amiridis. "Recenzie: Recycling of Nylon from Carpet Waste", Polymer Eng. Sci., Vol. 41(9), pp. 1457-1470, 2001
Experimental
TGA-FT-IR și TGA-MS au fost efectuate utilizând un analizor termogravimetric (TGA) NETZSCH TG 209 F1 Libra® cuplat la un spectrometru FT-IR BRUKER Optics TENSOR™ și la un spectrometru de masă cvadripolar NETZSCH QMS 403 Aëolos® (figura 1). Pentru măsurătorile TGA-GC-MS, NETZSCH TG 209 F1 Libra® a fost cuplat la un cromatograf de gaze Agilent Technologies 7890A echipat cu un spectrometru de masă cvadripolar Agilent 5975C (QMS) (figura 2).
Probele de covoare reciclate au fost încălzite în termobalanță de la 25 la 600°C la 10 K/min sub azot (40 ml/min; TGA-FT-IR și TGA-MS) sau heliu (65 ml/min; TGA-GC-MS). Gazele evaporate au fost transmise de la termobalanță la instrumentul de analiză EGA printr-o linie de transfer încălzită la 220°C pentru cuplarea FT-IR și MS sau la 300°C pentru cuplarea GC-MS. Pentru analiza GC-MS, gazele au fost prelevate la fiecare patru minute și injectate pe o coloană Agilent HP-5MS menținută la 150°C și eluate cu un flux de gaz heliu de 2 ml/min. Pentru măsurătorile FT-IR și MS, gazele au fost introduse continuu într-o celulă de gaz IR menținută la 200°C sau direct în analizorul MS.
Rezultate și discuții
TGA-FT-IR
Curbele de pierdere în masă (TGA) și rata de pierdere în masă (DTG) sunt reprezentate în figura 3, împreună cu curbele pentru absorbția IR integrată totală (Gram Schmidt) și intensitatea integrată a benzii de întindere asimetrică aCO2. A fost observată o singură etapă de pierdere în masă care a atins vârful ratei la 436,6°C. Vârfurile din curbele DTG șiCO2 sunt aproape coincidente, urmate îndeaproape de vârful din curba Gram Schmidt. De asemenea, este prezentată o endotermă de Temperaturile și entalpiile de topireEntalpia de fuziune a unei substanțe, cunoscută și sub denumirea de căldură latentă, este o măsură a aportului de energie, de obicei căldură, care este necesară pentru a transforma o substanță din stare solidă în stare lichidă. Punctul de topire al unei substanțe este temperatura la care aceasta își schimbă starea din solid (cristalin) în lichid (topitură izotropică). topire la 220°C determinată cu analiza c-DTA® brevetată NETZSCH.
În figura 4 este prezentată o diagramă tridimensională a spectrelor FT-IR ale gazelor dezvoltate pe durata descompunerii termice. Spectrele individuale extrase au fost comparate cu o bază de date de spectre IR pentru a identifica speciile dezvoltate la diferite temperaturi în timpul descompunerii termice. După cum se arată în figura 5, spectrele FT-IR ale gazelor degajate la 460 °C au fost compatibile cu cele ale Nylon-6,6 (PA66) și ale Nylon-6 (PA6).
TGA-MS
EvoluțiaCO2 a fost identificată prin analiza SM, dar speciile organice nu au fost identificate cu încredere prin căutarea spectrelor de masă extrase din achiziție în biblioteca spectrală de masă NIST. Cu toate acestea, vârfurile din curenții ionici (figura 6) pentru numerele de masă 15, 41 și 55 sunt compatibile cu Nylon-6, iar vârfurile din curenții ionici pentru numerele de masă 17 și 54 sunt compatibile cu Nylon-6.6. De asemenea, sunt prezentați curenții pentru masele ionice 27, 30 și 44. Acestea prezintă, de asemenea, vârfuri în timpul descompunerii, dar ionii produși sunt comuni ambilor polimeri. Nu au fost observate vârfuri în curentul Ionic pentru masa 113 (caprolactonă) sau 84 (ciclopentanonă); cu toate acestea, acești ioni nu sunt așteptați cu analiza spectrometrică de masă cu impact electronic (EIMS).2
Analiza TGA-GC-MS
Analiza TGA-GC-MS a fost efectuată în mod cvasi-continuu prin prelevarea de probe din gazele dezvoltate în timpul pirolizei probei la fiecare patru minute. Figura 7 prezintă o suprapunere a cromatogramei ionilor totali (TIC) de la măsurarea GC-MS cu curba pierderii de masă termică. Figura 8 prezintă o vedere extinsă a TIC cu identificările vârfurilor care au fost determinate în urma căutării în bibliotecă a spectrelor de masă extrase. Caprolactama, un produs primar de Reacția de descompunereO reacție de descompunere este o reacție indusă termic a unui compus chimic care formează produse solide și/sau gazoase. descompunere a nylon-6, a fost componenta principală a gazelor degajate. Acesta a început să apară în eșantionul de gaze în jurul valorii de 400°C și a continuat să apară în impulsuri până la aproximativ 500°C. AparițiaCO2 în eșantioanele de gaze între 400°C și 480°C a fost, de asemenea, în concordanță cu rezultatele TGA-FT-IR și TGA-MS. Separarea cromatografică a componentelor gazoase în timpul analizei GC-MS a permis identificarea unei varietăți de alte specii organice care nu au fost identificate prin analiza FTIR sau MS (figura 9). Ciclopentanona este un produs de Reacția de descompunereO reacție de descompunere este o reacție indusă termic a unui compus chimic care formează produse solide și/sau gazoase. descompunere termică foarte caracteristic pentru nailon-6,6.3
Concluzie
Fiecare metodă evoluată de analiză a gazelor are puncte forte și puncte slabe specifice care, în mod normal, se pretează la aplicații specifice. GC-MS este, în general, cea mai informativă dintre cele trei metode datorită separării cromatografice a componentelor gazoase, permițând identificarea individuală a acestora. În acest studiu, GC-MS a oferit cea mai clară identificare a caprolactamei, confirmând că materialul era format în principal din Nylon-6. De asemenea, a identificat produse de ciclopentanonă și nitril care sunt mai caracteristice pentru Nylon-6,6. O varietate de alte specii organice ciclice, posibil produse de Nylon-6,6, au fost identificate pentru prima dată în acest studiu. Rezultatele EIMS (spectrometrie de masă cu impact electronic) și FT-IR au confirmat prezența ambilor polimeri de nailon în materialul de covor reciclat. Masele ionilor moleculari caracteristice atât pentru Nylon-6, cât și pentru Nylon-6,6 au fost identificate prin EIMS. Deși FT-IR a identificat ambii polimeri ca potențiale componente ale materialului, datorită similitudinilor dintre spectre, această metodă de analiză a gazelor evoluate a fost cea mai puțin definitivă în ceea ce privește prezența reală a polimerului (polimerilor) specific(e) de nailon.
După cum s-a demonstrat în acest studiu, analiza termogravimetrică cuplată cu metodele de analiză a gazelor evoluate (TGA-EGA) este un instrument analitic informativ și de economisire a timpului, care este util nu numai pentru determinarea simultană a profilului de Reacția de descompunereO reacție de descompunere este o reacție indusă termic a unui compus chimic care formează produse solide și/sau gazoase. descompunere termică și a compoziției chimice a materialelor, ci și pentru elucidarea proceselor chimice responsabile de pierderea masei termice prin identificarea speciilor de gaze evoluate corespunzătoare.