Введение
Методы термогравиметрии (ТГА) особенно хорошо подходят для исследования процессов горения. Они позволяют быстро сделать выводы о термической стабильности преимущественно твердого топлива, а также о температуре реакции и кинетике горения. Кроме того, можно количественно определить как потерю массы в ходе реакции горения, так и содержание несгораемой минеральной золы. В отличие от других реакций, таких как разложение или выделение влаги или растворителей, горение - это твердогазовая реакция. Поэтому необходимо не только поддерживать постоянными все обычные параметры, такие как масса образца, скорость нагрева и расход продувочного газа, но и влиять на результаты измерений: поверхность образца, концентрация кислорода и геометрия тигля - все эти факторы могут ограничивать доступ реакционного газа к твердому образцу.
Для решения этой проблемы была проведена серия измерений с помощью NETZSCH STA с использованием различных геометрий тиглей при одинаковых условиях. Различные тигли показаны на рисунках 1 и 3; среди них также есть пробивной тигель ДТА, который показан в масштабе enlarged на рисунке 2 [1].
Исследуемые образцы сажи представляют собой различные стандартные образцы, такие как NIST 2975, Printex 90, активированный уголь и угольные шарики. Они имеют диаметр примерно от 1 мм до 2 мм и неорганическую структуру. Средний размер частиц порошковых образцов находится в диапазоне от 20 до 50 нм.
Результаты
Для исследования сажи NIST 2975 использовались тигли, представленные на рисунке 1. Зависимость между диаметром тигля и степенью заполнения образцов (при одинаковой массе образца) показана на рисунке 3 и в таблице 1.
Таблица 1: Размеры тиглей, показанных на рисунке 1
Размеры (мм) | Накладной пластина | Короткий DTA тигель | ДТА тигель | ДТА тигель, пробивной | Мини DTA* |
|---|---|---|---|---|---|
| Ø внешний | 10 | 8 | 8 | 8 | 5 |
| Ø внутренний | 10 | 6 | 6 | 6 | 4 |
*только для сравнения; этот тигель не входит в ассортимент продукции NETZSCH
При использовании кислорода в качестве продувочного газа уже сейчас можно обнаружить small различия между различными геометриями тиглей в отношении температуры горения и скорости горения (DTG) (рис. 4).
Однако если концентрация кислорода в продувочном газе снижается до 20% (рис. 5) или 5% (рис. 6), геометрия тигля играет все более важную роль. Прокаленный тигель ДТА и накладная пластина, очевидно, обеспечивают лучший доступ кислорода реакционного газа к образцу. Однако чем хуже доступ реакционного газа к твердому образцу, тем больше тенденция к смещению реакции к более высоким температурам и тем ниже скорость реакции (DTG). При соотношении продувочного газа азота и кислорода 95:5 проколотый тигель ДТА почти так же "быстр", как и накладная пластина. По поведению реакции прокалываемый тигель ДТА (рис. 2) и короткий тигель ДТА наиболее близки к накладной пластине, при этом работа с образцами для этих двух типов тиглей значительно проще, чем для накладной пластины.
Зависимость результатов от содержания кислорода в продувочном газе показана на рисунке 7.
Сравнение различных типов сажи показывает значительные различия между всеми определяемыми характеристиками, такими как термическая стабильность, температура сгорания, скорость сгорания и остаточная масса (рис. 8 и 9).
Заключение
Представленные измерения показывают, что геометрия тигля может оказывать значительное влияние на взаимодействие образца с продувочным газом. В качестве примера здесь использована реакция горения сажи. При одинаковых условиях измерений, если в одной серии испытаний использовался один и тот же тип тигля, можно было провести сравнительную оценку образцов. При проведении кинетических исследований всегда необходимо учитывать влияние основных условий измерения, включая тип тигля, на скорость реакции. В данном случае подходящими оказались скользящая пластина и прокалываемый тигель.