Höghastighetsugn

Inledning

Den beräknade mättiden - tillsammans med resultatens tillförlitlighet och betydelse - spelar ofta en viktig roll i nästan alla analytiska frågor. Ju mer intensivt analysmetoderna kopplas till produktionsprocesserna, desto viktigare blir detta. Inom forskning och utveckling av nya material är mättider för karakterisering av egenskaper en självklarhet, men inom processanalys är det produktionsanläggningarnas kapacitet som avgör med vilka intervall produktegenskaper och produktkvalitet måste verifieras. Analyser för kvalitetssäkring måste därför ofta utföras on-line under produktionsprocessen, eller åtminstone kunna utföras inom några minuter för stickprovskontroll.

Tidigare har det varit svårt att täcka in dessa områden med hjälp av termisk analys eftersom konventionella analyser tar från 30 minuter till flera timmar, beroende på mätprogrammet. Mättiden beror i första hand på det material som ska testas och/eller det temperaturområde som måste undersökas för de karakteristiska materialegenskaperna. Avgörande parametrar här är också de uppvärmnings- och nedkylningshastigheter som används. Dessa är i sin tur väsentligen beroende av ugnarnas och analysinstrumentens konstruktion. Och det är här som den nyutvecklade höghastighetsugnen sätter nya standarder.

Med konventionella termoanalytiska instrument är värme- och kylhastigheter från 1 K/min till 20 K/min vanliga medan det potentiella intervallet är från 0,001 K/min till 100 K/min; den nya höghastighetsugnen möjliggör å andra sidan värmehastigheter på upp till 1000 K/min. En uppvärmningshastighet på 500 K/min minskar redan mättiden från rumstemperatur till 1000°C till under två minuter och ökar därmed provgenomströmningen enormt.

Koncept

Den nya höghastighetsugnen kräver inte ett fristående instrument utan utökar den väletablerade 400-plattformen med ytterligare en ugnstyp. Plattformskonceptet gör det möjligt att utrusta ett mätinstrument med en lyftanordning för två ugnar. Höghastighetsugnen kan därför monteras på dubbelhissanordningen i kombination med andra ugnar. I stället för en andra ugn kan en automatisk provväxlare (ASC) användas för höghastighetsugnen. Modulär flexibilitet och i synnerhet möjligheten att kombinera höghastighetsugnen med ASC sparar mycket tid och resulterar därmed direkt i en ökad provgenomströmning.

Följande ugnstyper för instrumentserierna STA 449F1 och STA 449 F3 är nu tillgängliga.

Inställning

Figur 2 visar ett tvärsnitt av höghastighetsugnen. Det framgår att höghastighetsugnen inte skiljer sig från de andra ugnarna på 400-plattformen när det gäller de viktigaste konstruktionspunkterna, t.ex. mäthuvuden, placering av provets temperaturbestämning, gasflöde och separation av prov- och vågkamrarna.

Det stora utbudet av deglettyper och material kan också användas i höghastighetsugnen. Detta garanterar perfekt jämförbarhet av testresultaten, även när de erhålls med olika ugnstyper.

Det egentliga värmeelementet i höghastighetsugnen består av ett motståndsuppvärmt platinanät. Skyddsröret skiljer provkammaren från utsidan och gör det möjligt att arbeta i rena provatmosfärer genom evakuering och översvämning av provkammaren.

Resultat av mätning

Förutom mätningarna vid höga uppvärmningshastigheter utfördes också mätningar vid konventionella uppvärmningshastigheter på 10 K/min och 20 K/min med höghastighetsugnen för att garantera att testresultaten kan jämföras med dem som erhållits med andra termoanalytiska instrument.

Presentationen av den uppmätta provtemperaturen mot tiden i figur 3 visar linjära uppvärmningshastigheter i intervallet från 10 K/min till 500 K/min.

Därmed bekräftades att höghastighetsugnen inte behöver vara begränsad till snabba uppvärmningshastigheter utan att den också är fullt kapabel att hantera mer konventionella applikationer.

Genom att variera uppvärmningshastigheten under i övrigt identiska testförhållanden förskjuts resultaten mot högre temperaturer i takt med att uppvärmningshastigheten ökar. Detta är ett välkänt samband som dessutom möjliggör en kinetisk utvärdering av mätdata med hjälp av den specialutvecklade programvaran NETZSCH Thermokinetics programvara.

Om sambandet mellan variationen i uppvärmningshastigheterna och effekterna på mätdata är känt och kan beskrivas matematiskt, kan mätningar utföras snabbt utan att man behöver avstå från spårbarheten av mätdata till kända provegenskaper, som till exempel anges i NETZSCH annuals.

Med pyrolysen av polypropylen (PP) som exempel ska resultatens beroende av uppvärmningshastigheten påpekas.

Figur 4 visar inledningsvis att det inte finns några signifikanta skillnader i mätresultaten när polypropylen undersöks under identiska förhållanden med två olika termogravimetriska instrument (TG 209 F1 och STA 449 F1 ).

Detta är anmärkningsvärt eftersom ugnens eometri och därmed också flödesförhållandena för spolgaserna är olika.

Förutom resultaten av den relativa massförändringen (TGA) visar figur 4 dess första derivata, dvs. massförändringshastigheterna, som streckade linjer (DTG). Vid utvärdering av temperaturerna för uppvärmningshastigheterna 10, 20, 50, 100, 200 och 500 K/min, där massförlusthastigheten är maximal (DTG-kurvans minimum), erhålls uppvärmningshastighetsberoendet för pyrolysen av propylen. Detta presenteras i figur 5.

Den logaritmiska skalningen av uppvärmningshastigheterna ger en rak linje, vilket kan ses i figur 6. De felstaplar som visas i både figur 5 och 6 i y-riktningen visar inte verkliga fel, utan endast ett konfidensintervall på ± 2,5 K.

Värmebehandling av kalciumkarbonat (CaCO3) resulterar i en NedbrytningsreaktionEn sönderdelningsreaktion är en termiskt inducerad reaktion av en kemisk förening som bildar fasta och/eller gasformiga produkter. sönderdelningsreaktion vid temperaturer över 600°C där kalciumoxid (CaO) och koldioxid (CO2) bildas enligt följande ekvation:

Medan det fasta CaO-ämnet finns kvar i provdegeln lämnar både CO2 och reningsgasflödet instrumentet via utloppet. Mängden_CO2 som ackumuleras kan kvantifieras som en massförlust.

I figur 7 visas resultaten av en testserie som utfördes med samma mätförhållanden som beskrivs för PP. Massförluststegen är inte beroende av uppvärmningshastigheten; sönderdelningstemperaturerna (DTG-minimum) förskjuts till högre temperaturer när uppvärmningshastigheten ökar.

Massförlusten ökar från 5,1 %/min till 128,8 %/min när uppvärmningshastigheten ökas från 10 K/min till 500 K/min (figur 8).

Detta visar att uppvärmningshastighetens inverkan på mätresultaten följer en spårbar lag.

Detta förhållande är avgörande för jämförelsen av mätresultat som har bestämts med olika uppvärmningshastigheter.

Material för produkter som t.ex. bromsbelägg kan nu analyseras under driftsförhållanden. Vid inbromsning överförs rörelseenergi till värme genom friktion. Materialet kan därmed utsättas för mycket höga temperaturer inom en mycket kort tidsram.

Med uppvärmningshastigheter på 500 K/min kan dessa extrema driftsförhållanden återskapas analytiskt (bild 9).

Tabell 1: Tekniska data för höghastighetsugnen

Tekniska data Höghastighetsugn

Sammanfattning

Den nya höghastighetsugnen utgör en utökning av den väletablerade 400-plattformen, vilket förbättrar dess redan mångsidiga potential. Detta innebär bland annat att höghastighetsugnen kan kombineras med andra ugnar på en dubbelhoist-enhet eller med en automatisk provväxlare (ASC). Att mätresultaten från höghastighetsugnen är jämförbara med dem från andra termogravimetriska instrument demonstrerades med PyrolysPyrolys är den termiska nedbrytningen av organiska föreningar i en inert atmosfär.pyrolys av polypropen som exempel. Detta är en viktig förutsättning för att obegränsat kunna utnyttja informationsinnehållet i mätningar vid uppvärmningshastigheter på upp till 500 K/min.

Mätresultatens beroende av variationen i uppvärmningshastigheten visar en linjär korrelation under logaritmisk skalning av uppvärmningshastigheten. Därför är jämförelser med mätningar vid konventionella uppvärmningshastigheter också möjliga. Själva massförluststegen är inte beroende av variationen i uppvärmningshastigheterna.

Med den termiska nedbrytningen av CaCO3 som exempel visades också tydligt att även om uppvärmningshastigheten påverkar mätresultaten, följer den också en mycket spårbar lag.

Att använda snabba uppvärmningshastigheter leder därför inte till någon informationsförlust, och det faktum att varje mätning bara tar några minuter ger en enorm tidsvinst som kraftigt ökar provgenomströmningen och därmed också effektiviteten hos den termoanalytiska instrumenteringen.

Den termogravimetriska undersökningen av ett bromsbelägg vid 500 K/min möjliggjorde också - förutom den kraftigt ökade genomströmningen - att material som utsätts för extrema termiska förhållanden för första gången kunde analyseras under driftsförhållanden.