坩堝尺寸對不同炭黑樣品燃燒的影響分析

    簡介

    熱重分析法(TGA)十分適合研究燃燒過程。通過熱重分析，能夠快速得到大多數固體燃料的熱穩定性、反應溫度和燃燒動力學，還能夠定量分析燃燒過程中的質量損失和不可燃的無機灰分含量。相比于其他反應，如分解、脫水或者溶劑揮發，燃燒屬于氣-固反應。因此，除了所有傳統的測量參數如樣品質量、升溫速率以及吹掃氣流量必須保持一致，測量結果還受樣品表面積、氧氣濃度和坩堝尺寸的影響，這些因素都會影響固體和反應氣氛的接觸。

    為了研究這個問題，本文在其他條件相同的情況下，使用不同幾何尺寸的坩堝在NETZSCH STA上進行了一系列的測試。
    圖1和圖3顯示了不同種類的坩堝，圖2是帶孔DTA坩堝的放大圖。

圖1、Al2O3 坩堝種類(從左至右)：平臺，短DTA 坩堝，標準坩堝，帶孔DTA 坩堝，MiniDTA 坩堝

圖2、帶孔DTA坩堝

    測試所用的樣品為各種炭黑標準品，如NIST 2975、Printex 90、活性炭以及碳球，碳球樣品為無機結構，直徑約為1-2mm，粉末樣品的平均粒徑約為20-50nm。

    結果

    使用圖1中的坩堝對NIST 2975炭黑樣品進行測試，坩堝尺寸見表1，樣品填充程度(樣品質量相同)見圖3。

圖3、坩堝種類，前視圖(上圖)，俯視圖(下圖)

    表1、圖1 中的坩堝尺寸

*只用于比較，該坩堝不屬于耐馳配件

    使用氧氣作為吹掃氣，通過燃燒溫度和燃燒速率(DTG曲線)便能夠區分不同坩堝測試結果的微小差異(圖4)。

    如果吹掃氣中氧氣濃度從20%(圖5)降低至5%(圖6)，由坩堝尺寸帶來的影響越發顯著。使用帶孔DTA坩堝和平臺測試，樣品與反應氣氛的接觸更充分，反應溫度相對較低(DTG峰值溫度較低)。固體樣品和反應氣氛的接觸面積越小，反應溫度向高溫漂移的傾向性越大，且反應速率降低(DTG 曲線)。

    當氮氣濃度與氧氣濃度比例為95:5時，帶孔DTA坩堝測試的反應速率幾乎和平臺坩堝測試的一樣。從反應過程上看，帶孔DTA坩堝(圖2)與短DTA坩堝的測試結果和平臺坩堝最接近，但這兩種坩堝使用起來比平臺更為便捷。

圖4、100%氧氣濃度下NIST 2975樣品的TGA-DTG結果

圖5、20%氧氣濃度下NIST 2975樣品的TGA-DTG結果

圖6、5%氧氣濃度下NIST 2975樣品的TGA-DTG結果

    圖7顯示了吹掃氣中氧氣濃度對燃燒溫度的影響。

圖7、吹掃氣中氧氣濃度與結果的關系

    使用同種坩堝測試不同類型的炭黑并進行比較結果，發現熱穩定性、燃燒溫度、燃燒速率以及殘余質量等特征值都有顯著差異，圖8所示為TGA曲線的比較，圖9所示為DTG曲線的比較。

圖8、四種不同類型炭黑的比較(TGA曲線，短DTA坩堝)

圖9、四種不同類型炭黑的比較(DTG曲線，短DTA坩堝)

    結論
    上述測試結果表明，坩堝尺寸對樣品與吹掃氣的反應有顯著影響，文中測試的炭黑燃燒就是一例。在其他測試條件相同的情況下，只要使用同一種類型的坩堝，就能夠對一系列的測試結果進行比較。進行動力學研究時，所有基本的測量條件，包括坩堝尺寸對反應速率的影響都必須加以考慮。在這個案例中，使用平臺和帶孔DTA坩堝比較適宜。