Giriş
Kömür katranı veya petrol gibi organik maddelerin damıtılmasından elde edilen karmaşık karbonlu bir malzeme olan zift, metalürjiden karbon elyaf üretimine kadar çeşitli endüstrilerde yaygın olarak kullanılmaktadır. Ziftin termal kararlılığını ve Ayrışma reaksiyonuBir ayrışma reaksiyonu, katı ve/veya gaz ürünler oluşturan kimyasal bir bileşiğin termal olarak indüklenen reaksiyonudur. ayrışma davranışını anlamak kritik öneme sahiptir, çünkü bu özellikler karbon bazlı malzemelerin ve kompozitlerin üretimi gibi yüksek sıcaklık uygulamalarındaki performansını doğrudan etkiler.
Ölçüm Koşulları
Bu çalışmada, zift örneklerinin termal kararlılığını araştırıyor ve Ayrışma reaksiyonuBir ayrışma reaksiyonu, katı ve/veya gaz ürünler oluşturan kimyasal bir bileşiğin termal olarak indüklenen reaksiyonudur. ayrışma yollarını ve salınan uçucu türlerin doğasını daha iyi anlamak için ayrıntılı gaz analizi yapıyoruz. Bu analizler sayesinde, hem yeni malzemelerin geliştirilmesi hem de mevcut endüstriyel süreçlerin iyileştirilmesi için bilgi verebilecek değerli veriler sağlayarak ziftin termal davranışını aydınlatmayı amaçlıyoruz.
Ölçüm bir NETZSCH PERSEUS® STA Jupiter® sistemi ile gerçekleştirilmiştir. Ölçüm parametreleri Tablo 1'de ayrıntılı olarak verilmiştir.
Tablo 1: Ölçüm parametreleri
| Örnek mod | TG-FT-IR |
|---|---|
| Isıtma oranı | 10 K/dak |
| Örnek kütle | 77.0,3 ml Al2O3 kroze içinde 19 mg |
| Sıcaklık programı | RT - 1000°C |
| Tahliye gazı atmosferi | azot içinde %14 oksijen |
| Tahliye gazı miktarı | 70 ml/dak |
| Spektral ölçüm aralığı | 4400 - 650 cm-1 |
| Çözünürlük | 4 cm-1 |
Sonuçlar ve Tartışma
TGA ve DTG eğrilerinden, zift numunesinde dört kütle kaybı adımı olduğu bulunmuştur; bkz. şekil 1. İlk kütle kaybı adımı RT ile 400°C arasında %11,1'lik bir kütle değişimi ile tespit edilmiştir. İkinci adım 400°C ile 450°C arasında %35,5'lik bir kütle değişimi ile gerçekleşmiştir. 450°C ile 500°C arasındaki üçüncü kütle kaybı aralığı %21,8'lik bir kütle değişimiyle sonuçlanmıştır. Dördüncü adım, %31,3'lük bir kütle değişimiyle 500°C ile 1000°C arasında gözlemlenmiştir. Kalan kütle %0,2 olarak gerçekleşmiştir. DTG eğrisi, kütle kaybı oranını yansıtan TGA eğrisinin birinci dereceden türevidir. Bu dört kütle değişimi için DTG pik sıcaklıkları 386°C, 439°C, 455°C ve 555°C'de meydana gelmektedir.
Gram Schmidt eğrisi genel IR yoğunluklarını gösterir ve kütle kaybı oranının (DTG) ayna görüntüsü gibi davranır. Ayrıca kütle kaybı adımları sırasında maksimum yoğunlukları gösterir. Bu, evrimleşen gazların IR ışını ile etkileşimini kanıtlamaktadır.
Şekil 2, RT ve 1000°C arasında hava atmosferi altında ziftin TGA-FT-IR birleştirme testinden elde edilen evrimleşmiş gazın 3D grafiğini göstermektedir. FT-IR cihazının OPUS yazılımında, ölçümün bu küp görüntüsü, salınan kaydedilmiş gazların tam bir görünümünü elde etmek için her yöne döndürülebilir.
Şekil 3'teki kızılötesi spektrumlardan, 400°C ila 500°C'de ziftin gaz halindeki ürünlerinin esas olarak CH4,CO2, CO veH2Osalınımını içerdiği varsayılabilir. Metanol ve eten izleri, aldehitler (1600 ve 1800 cm-1 arasında önemli IR titreşimi) ve hidrokarbonlar (2700 ve 3000 cm-1 arasında önemli IR titreşimi) da tespit edilebilir. Elbette aromatik bileşikler de açığa çıkmaktadır. Ancak, burada tanımlanmamışlardır. Bu da birçok alifatik ve aromatik maddenin aynı anda açığa çıktığını göstermektedir. Artık ürünler muhtemelen dehidrojenlenmiş ve asfalt bağlayıcının aerobik termal çatlama aşamasına ait olan uzun zincirli makromoleküllere polimerize edilmiştir [1].
500°C ila 700°C'de, şekil 3'teki kızılötesi spektral analiz sonuçlarıyla birlikte ziftin yanma aşaması olduğu varsayılmaktadır. 300°C ila 500°C ile karşılaştırıldığında, inorganik gazlarH2O,CO2, SO2 ve CO salınımının önemli ölçüde arttığı, ancak aynı zamanda CH4, aldehitler, C-C ve C=C gibi organik bileşiklerin salınımının önemli ölçüde azaldığı veya hatta kaybolduğu görülebilir [2]. Bu, sıcaklık arttıkça OksidasyonOksidasyon, termal analiz bağlamında farklı süreçleri tanımlayabilir.oksidasyon reaksiyonunun baskın olduğunu kanıtlamaktadır.
Farklı maddelerin veya fonksiyonel grupların dalga sayılarını entegre ederek, maddenin veya fonksiyonel grubun sıcaklığa bağlı salınımını elde etmek mümkün olmuştur. Şekil 4, ziftin TGA eğrilerini ve üç maddenin ve iki fonksiyonel grubun dalga sayısı entegrasyon eğrilerini göstermektedir. Hidrokarbonların ve aldehitlerin ilk üç kütle kaybı adımında mevcut olduğu, CO,CO2 ve suyun ise dört kütle kaybı adımının hepsinde mevcut olduğu görülebilir; ayrıca,CO2 dördüncü kütle kaybı adımında maksimum salınımını gösterir.
Tablo 2: Farklı maddeler/fonksiyonel gruplar için integral dalga sayısı aralıkları
| Maddeler/fonksiyonel grup | İntegral dalga sayısı aralığı |
| C-H (koyu mavi) | 3200 - 2600 cm-1 |
| C=O (mor) | 1900 - 1600 cm-1 |
| CO2 (açık mavi) | 2400 - 2250 cm-1 |
| H2O(siyah) | 4000 - 3800 cm-1 |
| CO (zeytin) | 2200 - 2000 cm-1 |
Sonuç
Kızılötesi spektroskopisi (FT-IR) ile birlikte termal analiz tekniklerinin uygulanması, zift malzemelerinin bu çalışmasında kapsamlı ve derinlemesine yer almaktadır. TGA, kontrollü sıcaklık prosedürleri altında bir numunenin kütle değişiminin ölçülmesini sağlar ve bu da ziftin termal Ayrışma reaksiyonuBir ayrışma reaksiyonu, katı ve/veya gaz ürünler oluşturan kimyasal bir bileşiğin termal olarak indüklenen reaksiyonudur. ayrışma sıcaklığını ve uçucu içeriğini ortaya çıkarabilir.
FT-IR analizi ile birleştirildiğinde, fonksiyonel grupların oluşumu veya kırılması gibi farklı sıcaklıklarda ziftin moleküler yapısındaki değişiklikleri daha da belirleyebilir, böylece termal stabilite ve yaşlanma mekanizmasının kapsamlı bir değerlendirmesini sağlamanın yanı sıra zift malzemelerinin derinlemesine araştırılması ve yenilikçi gelişimi için sağlam bir teorik temel ve teknik destek sağlar.