Microcalorimetry and Infrared Spectroscopy
Thermal processes related to solid waste, ageing rubber, phase change materials, and biomass gasification
Tid: Fr 2022-10-21 kl 10.00
Plats: Kollegiesalen, Brinellvägen 8, Stockholm
Videolänk: https://kth-se.zoom.us/j/62413970769
Språk: Engelska
Ämnesområde: Fiber- och polymervetenskap
Respondent: Mohit Pushp , Fiber- och polymerteknologi, RISE, Borås
Opponent: Professor Lars Wadsö, Lunds universitet
Handledare: Professor Mikael S. Hedenqvist, Polymera material; Teknologie doktor Anders Lönnermark, RISE
QC 20220928
Abstract
Mikrokalorimetri (MC) är en unik teknik för online-mätning av värmeproduktion. Det kan användas för fasta ämnen, vätskor eller gaser. MC används för att mäta värmen som är involverad i antingen exoterma eller endoterma processer. Värmesignalen som erhålls från MC är en lumpad parameter, så kemiska, biologiska och fysikaliska förändringar som involverar värme mäts samtidigt. I denna studie har MC använts för att studera de termiska processerna i kommunalt fast avfall, fasförändringsmaterial (PCM) och polymera material. Ett självuppvärmningsfenomen, som kan leda till betydande värmeproduktion i högar av lagrat kommunalt fast avfall, studerades med MC. Detta gjorde det möjligt att förstå benägenheten för självuppvärmning i kommunalt fast avfall under lagringsförhållanden närmre verkligheten. Resultaten visade att självuppvärmningen i det fasta avfallet berodde på mikroorganismernas aeroba metabolism. Med utvecklingen av en tredje generationens MC och bättre styrning av temperaturen kan MC användas i ett icke-isotermt läge, likt en differentiell svepkalorimeter (DSC). MC kan mäta värmeflödet för prov med större massa än vad som är möjligt med DSC. Den större provmassan är mer representativ för komplexa/heterogena material så som cementblock. Därför användes MC för att ta reda på om det kunde vara ett användbart verktyg för att karakterisera termiska egenskaper (latent och specifik värme) hos ett cementbaserat bruk innehållandes fasförändringsmaterial. Fasförändringar (smältning och kristallisation) hos ett PCM kunde karakteriseras med MC. Prestandan hos PCM kan undersökas med hjälp av termiska cyklingstester som efterliknar verkliga temperaturvariationer.
Den höga känsligheten hos MC (μW/10 000 mg) gör att kemiska förändringar kan mätas vid minst 100 K lägre än DSC (μW/~30 mg). Den ökade känsligheten öppnar för möjligheten att mäta åldrande/nedbrytning av polymerer närmre verkliga temperaturer och förhållanden. Detta är fördelaktigt; den normalt använda accelererade testningen sker vid betydligt högre temperaturer och leder till nedbrytningsförhållanden som inte liknar driftförhållanden. Det visas här, med MC-tekniken på ett EPDM-material, att åldringsprocesserna, såväl som aktiveringsenergin för åldringsprocesserna, nära verkliga temperaturer skiljer sig från de vid högre temperaturer. Tack vare den höga känsligheten var det möjligt att studera lokala termiska processer i liten skala, såsom smältning av antioxidanten samt ytterligare reaktioner. Resultaten indikerar att MC är en lovande teknik för att mäta kemiska förändringar i komplexa system och bestämma reaktionsparametrar närmre verkliga temperaturer. För att relatera mätdata från MC till kemiska mekanismer bör efteranalys av polymera material utföras, exempel på tekniker är infraröd spektroskopi (FTIR), gaskromatografi och svepelektronmikroskop kopplad till energidispersiv röntgen. I princip kan kolväten detekteras med FTIR. Att utsätta FTIR-instrumentet för gas från biomassaförgasning riskerar att tjära kondenseras på optiska komponenter och efterföljande funktionsfel. Som en lösning konstruerades en extern cell som kan värmas upp till minst 400 °C för att säkerställa att tjäror inte kondenserar ut. Online-mätningar av permanenta gaser, vatten och tjära gjordes med en förgasare i laboratorieskala. Koncentrationer av permanenta gaser överensstämde väl med Micro-GC och spektrala signaturer av tjäror var jämförbara med mätningar med fastfasadsorptionsteknik (SPA).