Введение
Смола, сложный углеродистый материал, получаемый в результате дистилляции органических веществ, таких как каменноугольная смола или нефть, широко используется в различных отраслях промышленности - от металлургии до производства углеродных волокон. Понимание термической стабильности и поведения при разложении смолы очень важно, поскольку эти свойства напрямую влияют на ее эффективность в высокотемпературных областях применения, таких как производство углеродных материалов и композитов.
Условия измерения
В этом исследовании мы изучаем термическую стабильность образцов смолы и проводим подробный газовый анализ, чтобы лучше понять пути разложения и природу выделяющихся летучих веществ. С помощью этих анализов мы стремимся выяснить термическое поведение смолы и получить ценные данные, которые могут быть использованы как для разработки новых материалов, так и для усовершенствования существующих промышленных процессов.
Измерения проводились с помощью системы NETZSCH PERSEUS® STA Jupiter®. Параметры измерений приведены в таблице 1.
Таблица 1: Параметры измерения
| Режим пробы | ТГ-ФТ-ИК |
|---|---|
| Скорость нагрева | 10 К/мин |
| Масса образца | 77.19 мг в тигле из Al2O3 объемом 0,3 мл |
| Температурная программа | RT - 1000°C |
| Атмосфера продувочного газа | 14% кислорода в азоте |
| Количество продувочного газа | 70 мл/мин |
| Диапазон спектральных измерений | 4400 - 650 см-1 |
| Разрешение | 4 см-1 |
Результаты и обсуждение
На основании кривых ТГА и ДТГ было обнаружено, что в образце питча существует четыре этапа потери массы; см. рис. 1. Первый этап потери массы был обнаружен между RT и 400°C с изменением массы на 11,1%. Второй этап произошел между 400°C и 450°C с изменением массы на 35,5%. Третий интервал потери массы между 450°C и 500°C привел к изменению массы на 21,8%. Четвертый этап наблюдался между 500°C и 1000°C с изменением массы на 31,3%. Остаточная масса составила 0,2 %. Кривая DTG - это производная первого порядка от кривой ТГА, которая отражает скорость потери массы. Пиковые температуры ДТГ для этих четырех изменений массы наблюдаются при 386°C, 439°C, 455°C и 555°C.
Кривая Грамма-Шмидта отображает общую интенсивность ИК-излучения и является зеркальным отражением скорости потери массы (DTG). Она также показывает максимальную интенсивность во время этапов потери массы. Это доказывает взаимодействие выделившихся газов с ИК-лучами.
На рис. 2 показан 3D-график выделившегося газа, полученного в результате испытания питча в атмосфере воздуха при температурах от RT до 1000°C с помощью ТГА-ФТ-ИК. В программном обеспечении OPUS ИК-Фурье прибора это кубическое изображение измерений можно поворачивать во всех направлениях, чтобы получить точное представление о регистрируемых выделяющихся газах.
Из инфракрасных спектров, представленных на рисунке 3, можно сделать вывод, что газообразные продукты пека при 400-500°C в основном включают выделение CH4,CO2, CO и H2O. Также можно обнаружить следы метанола и этена, альдегидов (значительные ИК-колебания между 1600 и 1800 см-1) и углеводородов (значительные ИК-колебания между 2700 и 3000 см-1). Разумеется, выделяются и ароматические соединения. Однако здесь они не идентифицированы. Это указывает на то, что многие алифатические и ароматические вещества высвобождаются одновременно. Остаточные продукты, вероятно, дегидрогенизированы и полимеризованы в длинноцепочечные макромолекулы, которые относятся к стадии аэробного термического крекинга асфальтового вяжущего [1].
При температурах от 500°C до 700°C предполагается, что это стадия горения пека в сочетании с результатами инфракрасного спектрального анализа, представленными на рисунке 3. По сравнению с 300-500°C можно обнаружить, что выделение неорганических газов H2O,CO2, SO2 и CO значительно увеличилось, но в то же время выделение органических соединений, таких как CH4, альдегиды, C-C и C=C, значительно уменьшилось или даже исчезло [2]. Это доказывает, что при повышении температуры преобладает реакция окисления.
Интегрируя волновые числа различных веществ или функциональных групп, можно было получить зависимое от температуры выделение вещества или функциональной группы. На рисунке 4 представлены кривые ТГА смолы и кривые интегрирования волновых чисел трех веществ и двух функциональных групп. Видно, что углеводороды и альдегиды присутствуют на первых трех ступенях потери массы, а CO,CO2 и вода присутствуют на всех четырех ступенях потери массы; кроме того,CO2 демонстрирует максимальное выделение на четвертой ступени потери массы.
Таблица 2: Интегральные интервалы волновых чисел для различных веществ/функциональных групп
| Вещества/функциональная группа | Диапазон интегральных волновых чисел |
| C-H (темно-синий) | 3200 - 2600 см-1 |
| C=O (фиолетовый) | 1900 - 1600 см-1 |
| CO2 (светло-голубой) | 2400 - 2250 см-1 |
| H2O(черный) | 4000 - 3800 см-1 |
| CO (оливковый) | 2200 - 2000 см-1 |
Заключение
Применение методов термического анализа в сочетании с инфракрасной спектроскопией (ИК-Фурье) в данном исследовании материалов питча является обширным и глубоким. ТГА позволяет измерять изменение массы образца при контролируемом температурном режиме, что позволяет определить температуру термического разложения и содержание летучих веществ в смоле.
В сочетании с ИК-Фурье анализом можно определить изменения в молекулярной структуре питча при различных температурах, такие как образование или разрушение функциональных групп, что позволяет всесторонне оценить термическую стабильность и механизм старения, а также создать прочную теоретическую основу и техническую поддержку для углубленных исследований и инновационного развития питчевых материалов.