intTypePromotion=1
zunia.vn Tuyển sinh 2024 dành cho Gen-Z zunia.vn zunia.vn
ADSENSE

Nghiên cứu vật liệu - Phân tích nhiệt ứng dụng: Phần 2

Chia sẻ: Hoa La Hoa | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:113

227
lượt xem
60
download
 
  Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Phần 2 Tài liệu Phân tích nhiệt ứng dụng trong nghiên cứu vật liệu tiếp tục giới thiệu đến bạn đọc nội dung chương III về các ứng dụng phân tích nhiệt trong nghiên cứu vật liệu, là nội dung chính của Tài liệu chuyên khảo. Phần này cung cấp cho bạn đọc nội dung về cách thức khai thác, ứng dụng phân tích nhiệt về đối tượng vật liệu được lựa chọn, hệ thống và các công trình của tác giả và đồng tác giả đã được công bố dưới dạng các bài tập toán độc lập về ứng dụng phân tích nhiệt trong nghiên cứu. Tài liệu là Tài liệu tham khảo bổ ích cho bạn đọc quan tâm đến vấn đề này.

Chủ đề:
Lưu

Nội dung Text: Nghiên cứu vật liệu - Phân tích nhiệt ứng dụng: Phần 2

  1. Ch ng III NG D NG PHÂN TÍCH NHI T TRONG NGHIÊN C U V T LI U Phân tích nhi�t cùng v�i hi�n vi �i�n t� (TEM, SEM) và m�t s� công c� ph� phân tích, như ph� nhi�u x� tia X (XRD), ph� kh�i (MS), ph� h�ng ngo�i (IR) và ph� c�ng hư�ng t� h�t nhân (NMR), �ư�c xem là nh�ng công c� phân tích ��u tay trong nghiên c�u v�t li�u. Các công c� phân tích này cho phép chúng ta nh�n bi�t, xác ��nh, �ánh giá các thông s� hoá lý cơ b�n nh�t c�ng như các quá trình bi�n ��i c�a v�t ch�t. Thông tin nh�n �ư�c t� d� li�u phân tích nhi�t r�t phong phú, �a d�ng, bao g�m thông tin tr�c ti�p là các thông s� nhi�t nh�n �ư�c ngay t� các gi�n �� nhi�t, như nhi�t nóng ch�y, nhi�t chuy�n pha, hi�u �ng nhi�t, �� giãn n� nhi�t, �� gi�m kh�i, và thông tin gián ti�p là các thông s� hoá lý khác nh�n �ư�c t� các thông s� nhi�t nói trên thông qua m�t s� tính toán, bi�n ��i nh�t ��nh, như �� b�n nhi�t, �� d�n nhi�t, nhi�t dung, �� s�ch, h� s� khu�ch tán, t�c �� ph�n �ng… Trong chương này, và c�ng là chương chính c�a chuyên kh�o, m�t s� k�t qu� �ng d�ng phân tích nhi�t trong nghiên c�u v�t li�u, l�a ch�n, tóm t�t t� các công trình c�a tác gi� và các ��ng nghi�p �ã �ư�c th�c hi�n t�i Phòng thí nghi�m phân tích nhi�t, Vi�n Hoá h�c, Vi�n Khoa h�c và Công ngh� Vi�t Nam, và �ã �ư�c công b� trong th�i gian 1995 2005, s� �ư�c gi�i thi�u m�t cách có h� th�ng. Danh sách các �ng d�ng c� th� �ư�c li�t kê trong b�ng 3.1, bao g�m t� các �ng d�ng �ơn gi�n, cơ b�n, ��n các �ng d�ng m� r�ng, nâng cao ho�c chuyên sâu, th�c hi�n v�i nhi�u ��i tư�ng v�t li�u, s� d�ng các công c� phân tích nhi�t khác nhau. Các �ng d�ng �ơn gi�n, cơ b�n và tr�c ti�p s� �ư�c gi�i thi�u trong m�c III.2, còn các �ng d�ng mang tính m� r�ng và nâng cao hay chuyên sâu �ư�c trình bày trong 6 m�c ti�p theo, t� III.3 ��n III.8. M�t s� �ng d�ng khác, ho�c
  2. 124 Nguy�n Ti�n Tài mang tính th�m dò, ��nh hư�ng, ho�c còn �ang �ư�c ti�p t�c th�c hi�n, �ư�c nêu chung trong m�c cu�i cùng, III.9. Vì m�c �ích và gi�i h�n c�a chuyên kh�o này nên các bài toán �ng d�ng phân tích nhi�t trong nghiên c�u v�t li�u �ư�c trình bày ch� y�u dư�i góc �� �ng d�ng phân tích nhi�t. �� có �ư�c b�c tranh ��y �� v� v�t li�u hay các quá trình bi�n ��i hoá lý, các quá trình công ngh�, thư�ng ph�i k�t h�p k�t qu� c�a phân tích nhi�t v�i nhi�u phương pháp phân tích khác. N�i dung ��y �� và chi ti�t, trong �ó có nhi�u n�i dung không tr�c ti�p liên quan t�i phân tích nhi�t, �ư�c trình bày rõ trong các công trình �ã công b� [1 38]. Ph�n l�n các công trình �ư�c gi�i thi�u trong chương này là s�n ph�m c�a s� h�p tác ch�t ch� gi�a Phòng thí nghi�m phân tích nhi�t Vi�n Hoá h�c Vi�n Khoa h�c và Công ngh� Vi�t Nam v�i các b� ph�n khác trong Vi�n Hoá h�c nói riêng, trong Vi�n Khoa h�c và Công ngh� Vi�t Nam nói chung, trong �ó ch� y�u là Vi�n Khoa h�c k� thu�t Nhi�t ��i và Vi�n Khoa h�c V�t li�u. B�ng 3.1: Các �ng d�ng phân tích nhi�t �ã th�c hi�n t�i Phòng thí nghi�m phân tích nhi�t, Vi�n Hoá h�c, Vi�n Khoa h�c và Công ngh� Vi�t Nam. N�i dung �ng d�ng phân tích nhi�t M�c Các �ng d�ng phân tích nhi�t c� b�n III.2 Nghiên c�u v�t li�u �i�n c�c LaNi5 III.3 Nghiên c�u v�t li�u �i�n c�c spinel LiMn2O4 III.4 Nghiên c�u v�t li�u t� m�m Finemet III.5 �ánh giá �� b�n nhi�t v�t li�u polyme III.6 Nghiên c�u v�t li�u chuy�n pha III.7 Xác ��nh �� s�ch v�t li�u có �� s�ch cao III.8 Các �ng d�ng khác c�a phân tích nhi�t III.9 Nghiên c�u v�t li�u blend 9.1 Nghiên c�u oxy hoá silic x�p 9.2 Xây d�ng gi�n �� pha eutectic 9.3 Nghiên c�u ��a ch�t, khoáng s�n 9.4 Phát tri�n k� thu�t phân tích nhi�t 9.5
  3. Ch ng III. �ng d�ng phân tích nhi�t trong nghiên c�u v�t li�u 125 III.1.T ng quan các #ng d%ng c&a phân tích nhi,t Thông tin có th� khai thác �ư�c t� d� li�u phân tích nhi�t r�t phong phú, chính vì v�y l�nh v�c �ng d�ng phân tích nhi�t r�t r�ng, bao g�m h�u h�t các l�nh v�c khoa h�c, công ngh� và s�n xu�t có liên quan t�i v�t li�u. Trên b�ng 3.2 là con s� th�ng kê v� t� l� s� d�ng công c� phân tích nhi�t ��i v�i m�t s� l�nh v�c. S� li�u trên b�ng cho th�y 3 l�nh v�c s� d�ng phân tích nhi�t nhi�u nh�t là polyme, hoá ch�t và hoá dư�c, ti�p theo là các ngành công nghi�p hoá d�u và nông nghi�p, lương th�c, th�c ph�m. Theo d� li�u 1995 2005 c�a Phòng phân tích nhi�t, Vi�n Hoá h�c, Vi�n Khoa h�c và Công ngh� Vi�t Nam, các l�nh v�c có �ng d�ng phân tích nhi�t, x�p theo th� t� t� t� l� cao xu�ng là: Hoá vô cơ và kim lo�i, polyme, công nghi�p hoá ch�t, hoá d�u, công nghi�p qu�c phòng, khoáng s�n, th� như�ng. Có s� khác nhau v� phân b� ��i tư�ng s� d�ng phân tích nhi�t c�a nư�c ta so v�i th� gi�i. B�ng 3.2: Th�ng kê t� l� �ng d�ng phân tích nhi�t L�nh v�c �ng d�ng T� l� (%) Polyme t�ng h�p, cao su thiên nhiên 21 Hoá dư�c, hoá sinh, y sinh 9 Công nghi�p hoá ch�t 9 Công nghi�p hoá d�u 8 Nông nghi�p, lư�ng th�c, th�c ph�m 8 �ào t�o, giáo d�c nói chung 7 Nghiên c�u c� b�n nói chung 7 Công nghi�p xe h�i 5 Nhiên li�u, ch�t ��t cho hàng không, v� tr� 5 Kim lo�i 5 Công nghi�p d�t 4 Các ngành khác 13 Các l�nh v�c khoa h�c, công ngh� khác nhau s� d�ng công c� phân tích nhi�t và khai thác thông tin t� phân tích nhi�t theo m�c �ích Theo báo cáo t ng quan c a hãng Perkin-Elmer.
  4. 126 Nguy�n Ti�n Tài và do �ó có th� là theo phương th�c khác nhau, d� li�u th�c nghi�m phân tích nhi�t có th� �ư�c x� lý d�a trên các mô hình nhi�t ��ng h�c khác nhau. Nói cách khác, ngoài nh�ng ��c �i�m chung, các bài toán phân tích nhi�t trong nghiên c�u v�t li�u còn có nh�ng nét ��c thù cho m�i l�nh v�c. Trên b�ng 3.3 li�t kê, dù chưa ��y ��, các l�nh v�c khoa h�c, công ngh�, công nghi�p có �ng d�ng phân tích nhi�t và các bài toán �ng d�ng phân tích nhi�t tương �ng. B�ng 3.3: M�t s� l�nh v�c �ng d�ng phân tích nhi�t và các bài toán phân tích nhi�t tư�ng �ng L�nh v�c �ng d�ng Bài toán �ng d�ng phân tích nhi�t Khoa h�c v�t li�u C� ch� k�t tinh t� pha l�ng, Chuy�n pha r�n – l�ng, Xác ��nh gi�n �� pha, Xác ��nh thành ph�n v�t li�u, �ánh giá quá trình già hoá v�t li�u kim lo�i, polyme và composit. �ánh giá các tính ch�t hoá lý quan tr�ng c�a các lo�i v�t li�u xây d�ng (xi m�ng, g�m s�, ph� gia, …) Nghiên c�u v�t li�u kim lo�i và h�p kim, Nghiên c�u v�t li�u t� (��c trưng t� nhi�t, nhi�t �� chuy�n pha, t� gi�o, …). Hoá h�c C� ch� và quá trình t�o ph�c, Nghiên c�u v�t li�u xúc tác, hoá d�u, Các bài toán ��ng h�c ph�n �ng, Nh�n bi�t các thành ph�n ph�n �ng, Xác ��nh hi�u �ng nhi�t ph�n �ng. Polyme Xác ��nh các thu�c tính nhi�t c� b�n, �ánh giá tính n�ng c� lý c�a polyme, �ánh giá �� b�n nhi�t c�a v�t li�u polyme và composit. Nghiên c�u quá trình già hoá và phân hu� polyme, Nghiên c�u c� ch� quá trình lưu hoá, Y dư�c Phân tích s�i th�n, Nghiên c�u quá trình phân hu� các axit amin, protein, … Nghiên c�u v�t li�u hàn r�ng, làm r�ng gi�, �ánh giá �� s�ch c�a dư�c ph�m, �ánh giá �� b�n nhi�t c�a dư�c ph�m, Xác ��nh d�ng và hàm lư�ng nư�c trong dư�c ph�m. Th�c ph�m, nông Ki�m nghi�m ch�t lư�ng d�u th�c v�t, ng� c�c, th�c nghi�p ph�m, hoa qu� tư�i,
  5. Ch ng III. �ng d�ng phân tích nhi�t trong nghiên c�u v�t li�u 127 �ánh giá kh� n�ng cung c�p nhi�t lư�ng c�a th�c ph�m, Nghiên c�u quá trình oxy hoá th�c ph�m, �ánh giá ch�t lư�ng v�t li�u làm bao bì, gói, ��ng th�c ph�m, Xác ��nh hàm lư�ng nư�c trong th�c ph�m. ��a ch�t, khoáng s�n Xác ��nh thành ph�n khoáng s�n, Phân tích thành ph�n th� như�ng, Nghiên c�u các quá trình trao ��i ch�t, gi� �m, m�t �m, �ánh giá ch�t lư�ng than �á, than bùn, ... Môi trư�ng Nghiên c�u ph�n �ng cháy, n�, Nghiên c�u các quá trình sinh, thoát khí, Nghiên c�u các quá trình phân hu�, oxy hoá t� nhiên và cư�ng b�c, Nh�n bi�t và �ánh giá m�c �� ô nhi�m môi trư�ng. Công nghi�p �ánh giá �� b�n oxy hoá và �� b�n nhi�t c�a các s�n ph�m s�n, keo, m�c in, �ánh giá ch�t lư�ng b�t gi�t, ch�t t�y, thu�c �ánh r�ng, hoá m� ph�m, �ánh giá v�t li�u làm gi�y, mái l�p, che mưa, �ánh giá v�t li�u n�, nhiên li�u. Hãng s�n xu�t thi�t b� phân tích nhi�t TA Instruments �ã gi�i thi�u g�n 300 �ng d�ng phân tích nhi�t �i�n hình, t� �ơn gi�n t�i ph�c t�p, bao g�m nhi�u l�nh v�c khác nhau, s� d�ng các công c� phân tích nhi�t khác nhau. Các �ng d�ng �ư�c gi�i thi�u ho�c là dư�i d�ng công b� g�c, ho�c �ã �ư�c các chuyên gia phân tích nhi�t c�a hãng trình bày l�i dư�i d�ng các bài toán m�u v� �ng d�ng phân tích nhi�t, cô ��ng và t�p trung vào khía c�nh phân tích nhi�t. Vì v�y, m�c dù thi�t b� phân tích nhi�t dùng trong các �ng d�ng này ��u là c�a TA Instruments, nhưng chúng v�n r�t có ích khi chúng ta mu�n ��nh hư�ng ho�c tìm hi�u sâu hơn v� cách khai thác phân tích nhi�t cho nghiên c�u v�t li�u. Danh sách các �ng d�ng nói trên �ư�c gi�i thi�u trong ph� l�c 4. Vì phân tích nhi�t bao g�m r�t nhi�u k� thu�t v�i tính n�ng phong phú nên �� nghiên c�u v�t li�u b�ng phân tích nhi�t, vi�c ��u tiên c�n làm sau khi �ã xác ��nh bài toán khoa h�c công ngh� là l�a ch�n công c� phân tích nhi�t c� th� sao cho thích h�p v�i bài toán �ã xác ��nh. Kh� n�ng gi�i quy�t các bài toán phân tích nhi�t c�a các công c� phân tích nhi�t ch� y�u và thông d�ng nh�t �ư�c nêu � b�ng 3.4.
  6. 128 Nguy�n Ti�n Tài B�ng 3.4: Các công c� phân tích nhi�t thông d�ng nh�t và các bài toán phân tích nhi�t tư�ng �ng Công c� phân tích nhi�t Bài toán �ng d�ng phân tích nhi�t TGA Phân hu� nhi�t, �� b�n nhi�t c�a polyme nhân t�o và t� nhiên, Oxi hoá kim lo�i, h�p kim, Phân tích thành ph�n v�t li�u, Ph�n �ng t�o thu� tinh ��ng h�c ph�n �ng pha r�n, DSC �o nhi�t dung �o nhi�t lư�ng Xác ��nh �� s�ch Nghiên c�u ��ng h�c chuy�n pha và ph�n �ng, Xây d�ng gi�n �� pha. DTA Xác ��nh enthalpy ph�n �ng Nh�n bi�t thành ph�n v�t li�u, Xác ��nh �i�m sôi, �i�m ch�y, Nghiên c�u ��ng h�c chuy�n pha và ph�n �ng, Xây d�ng gi�n �� pha. TMA Xác ��nh �� b�n c� lý, Nghiên c�u chuy�n pha, �ánh giá �� giãn n� nhi�t c�a v�t li�u. Ngư�c l�i, trên b�ng 3.5 là li�t kê các bài toán phân tích nhi�t c�a v�t li�u và các công c� phân tích nhi�t thích h�p tương �ng. Thông tin trên 2 b�ng này giúp ngư�i ��c thu�n ti�n trong ��nh hư�ng và l�a ch�n �úng công c� phân tích nhi�t thích h�p cho bài toán nghiên c�u v�t li�u c�a mình.
  7. Ch ng III. �ng d�ng phân tích nhi�t trong nghiên c�u v�t li�u 129 B�ng 3.5: Các bài toán nhi�t �i�n hình trong nghiên c�u v�t li�u và công c� phân tích nhi�t tư�ng �ng Bài toán phân tích nhi�t Công c� phân tích nhi�t Nhi�t �� và nhi�t lư�ng chuy�n pha. DTA, DSC, Chuy�n th� thu� tinh DSC, TMA, Gi�n �� pha DTA, DSC, Quá trình tinh b�t hoá DSC, Calorimetry, Phân hu�, dehydrat hoá, DTA, DSC, TGA Oxi hoá kh� DTA, DSC, TGA Nhi�t �� và nhi�t lư�ng ph�n �ng, polyme DSC, Calorimetry. hoá Nhi�t lư�ng cháy, n�, Calorimetry Nhi�t dung DSC, Calorimetry, Co giãn nhi�t TMA H�p ph�, kh� h�p ph� DSC, TGA M�c dù có r�t nhi�u k� thu�t phân tích nhi�t khác nhau, nhưng theo s� li�u th�ng kê c�a hãng Perkin-Elmer c�ng như Cơ s� d� li�u 1995 2005 c�a Phòng thí nghi�m phân tích nhi�t, Vi�n Hoá H�c, Vi�n Khoa h�c và Công ngh� Vi�t Nam thì ph�n l�n các �ng d�ng phân tích nhi�t ��u t�p trung vào 3 công c� thông d�ng nh�t là DSC, DTA và TGA (B�ng 3.6). B�ng 3.6: Th�ng kê t� l� s� d�ng các công c� phân tích nhi�t T� l� (%) Công c� phân tích nhi�t Theo * Theo ** DSC/DTA 50 56 TGA 30 41 TMA 15 3 Công c� khác 5 0 * Theo báo cáo t�ng quan c�a hãng Perkin-Elmer ** Theo cơ s� d� li�u Phòng thí nghi�m phân tích nhi�t, Vi�n Hoá h�c, Vi�n Khoa h�c và Công ngh� Vi�t Nam.
  8. 130 Nguy�n Ti�n Tài III.2.Các bài toán phân tích nhi,t c b1n [1,2] III.2.1.Phân lo i các bài toán phân tích nhi t Phân tích nhi�t �a d�ng v� k� thu�t, phong phú v� thông tin, do v�y có nhi�u cách phân lo�i các bài toán �ng d�ng phương pháp này. Cách phân lo�i th� nh�t d�a trên cách th�c khai thác thông tin. Có hai cách chính �� khai thác thông tin phân tích nhi�t, �ó là khai thác thông tin tr�c ti�p và khai thác thông tin gián ti�p. Phương pháp phân tích nhi�t cho phép xác ��nh tr�c ti�p các thông s� nhi�t cơ b�n như nhi�t nóng ch�y, nhi�t hoá hơi, nhi�t chuy�n pha, hi�u �ng nhi�t, h� s� giãn n� nhi�t, … là các ��i lư�ng r�t cơ b�n khi �ánh giá v�t li�u và các quá trình công ngh� liên quan t�i v�t li�u. Ph�n l�n các thông s� nhi�t nêu trên thư�ng nh�n �ư�c tr�c ti�p ngay t� các gi�n �� nhi�t, không qua tính toán, bi�n ��i, vì v�y g�i là khai thác tr�c ti�p. Bên c�nh thông s� nhi�t k� trên, h�u h�t các tính ch�t hoá lý khác ��u ít nhi�u liên quan t�i tính ch�t nhi�t hay sâu xa hơn là ��u liên quan t�i chuy�n ��ng nhi�t c�a các h�t v�t ch�t vi mô. Ví d� như nhi�t dung Cp, �� d�n nhi�t , th�i gian s�ng tf, ... c�ng có th� nh�n �ư�c t� d� li�u phân tích nhi�t, nhưng thư�ng ph�i qua m�t vài bi�n ��i toán h�c, qua các mô hình lý thuy�t ho�c nh� các quy trình �o riêng. Các bài toán �ng d�ng phân tích nhi�t theo hư�ng này t�o thành nhóm th� hai Khai thác gián ti�p. Trên th�c t�, �a ph�n các th�c nghi�m phân tích nhi�t là thu�c nhóm th� nh�t, khai thác tr�c ti�p thông tin phân tích nhi�t. M�c dù s� bài toán thu�c nhóm th� hai, khai thác gián ti�p, là không nhi�u, nhưng chính chúng làm nên tính phong phú c�a các bài toán phân tích nhi�t. M�t cách khác �� phân chia các bài toán phân tích nhi�t là theo m�c �ích công ngh�. Cách phân chia này r�t ph� bi�n trong khoa h�c v�t li�u. Hai m�c tiêu công ngh� chính thư�ng �ư�c ��t ra cho các bài toán phân tích nhi�t là: Xác ��nh các thông s� nhi�t ��ng c�a quá trình công ngh� và xác ��nh các thông s� nhi�t c�a v�t li�u. Trư�ng h�p th� nh�t, �� xác ��nh các thông s� nhi�t ��ng c�a quá trình, ngư�i ta s� d�ng ngay chính các thi�t b� phân tích nhi�t �� th�c hi�n quá trình công ngh� c�n quan tâm. �i�u này thư�ng
  9. Ch ng III. �ng d�ng phân tích nhi�t trong nghiên c�u v�t li�u 131 �ư�c th�c hi�n �� nghiên c�u các công ngh� trong �ó có x�y ra các quá trình liên quan t�i x� lý nhi�t như gia nhi�t, ��t nóng ch�y, làm l�nh, � nhi�t. Xét theo ý ngh�a, ngư�i ta còn g�i cách th�c hi�n các bài toán phân tích nhi�t như trên là gi�i pháp mô ph�ng công ngh�, nhưng không ph�i mô ph�ng lý thuy�t như thư�ng quan ni�m mà là mô ph�ng b�ng th�c nghi�m. M�c �ích c�a các mô ph�ng b�ng th�c nghi�m phân tích nhi�t này là tr�c ti�p nh�n �ư�c các thông s� nhi�t ngay khi quá trình công ngh� di�n ra trên thi�t b� phân tích nhi�t. Thông tin nh�n �ư�c theo cách mô t� trên không nh�ng giúp ta nh�n bi�t, lý gi�i các hi�n tư�ng công ngh� và hi�u sâu b�n ch�t các quá trình hoá lý di�n ra trong công ngh� �ang nghiên c�u mà quan tr�ng hơn là khi �ã nh�n bi�t quá trình, ph�n �ng nào �ó có x�y ra hay không, � vùng nhi�t �� nào, x�y ra nhanh hay ch�m, to� nhi�t hay thu nhi�t, t�ng kh�i hay gi�m kh�i, nhi�u hay ít, chúng ta có th� ch� ��ng l�a ch�n, �i�u ch�nh ch� �� công ngh� cho phù h�p. Trên th�c t�, vi�c mô ph�ng các công ngh� có liên quan t�i các quá trình nhi�t b�ng phân tích nhi�t thư�ng g�p m�t s� h�n ch� do ch�c n�ng các thi�t b� phân tích nhi�t không �úng hoàn toàn như các yêu c�u c�a công ngh� th�c. Ch�ng h�n như các công ngh� trong �i�u ki�n chân không hay các thành ph�n khí ��c bi�t, công ngh� có tác ��ng ��ng th�i các tác nhân �i�n t� như siêu âm, sóng cao t�n, t� trư�ng, hay các tác ��ng cơ h�c như tr�n khu�y, l�c, rung… ��u r�t khó th�c hi�n trên thi�t b� phân tích nhi�t thông thư�ng. M�t trong nh�ng gi�i pháp cho các trư�ng h�p nêu trên là làm theo hư�ng ngư�c l�i, b� sung ch�c n�ng phân tích nhi�t vào chính thi�t b� công ngh�. Vi�c làm này không quá ph�c t�p, nh�t là ��i v�i k� thu�t DTA, vì nó ch� g�m 2 ��u �o nhi�t, thư�ng là c�p nhi�t Pt, m�c theo nguyên lý vi sai (xem m�c II.4). Khó kh�n chính là ph�i thi�t k� l�i thi�t b� công ngh� sao cho có thêm ph�n dành cho m�u so sánh. M�t thi�t b� công ngh� có tích h�p phân tích nhi�t như v�y s� cho phép thu �ư�c các d� li�u nhi�t ngay khi quá trình công ngh� th�t �ang di�n ra, t�c là th�c hi�n ch� �� phân tích in situ. Trong các m�c III.3 và III.7 có mô t� 2 bài toán �ng d�ng phân tích nhi�t trong �ó có áp d�ng gi�i pháp in situ b�ng thi�t b� t� t�o theo hư�ng nêu trên. Khác v�i các bài toán xác ��nh thông s� quá trình b�ng phân tích nhi�t v�a nêu, các bài toán xác ��nh thông s� v�t li�u �ơn gi�n là
  10. 132 Nguy�n Ti�n Tài nh�m nh�n bi�t m�t v�t li�u, thư�ng là s�n ph�m trung gian ho�c s�n ph�m cu�i cùng c�a công ngh�. V�i ý ngh�a thu�n túy phân tích như v�y, phân tích nhi�t khi �ó có vai trò tương �ương như nhi�u công c� phân tích thành ph�n khác. S� khác nhau cơ b�n và quan tr�ng là bài toán phân tích nhi�t d�a trên ��c trưng nhi�t c�a v�t li�u, trong khi các công c� phân tích khác d�a vào các ��c trưng khác như c�u trúc, thành ph�n, �i�n, t�, quang, hoá, … Các �ng d�ng phân tích nhi�t s� �ư�c gi�i thi�u trong 6 m�c ti�p sau, t� III.3 t�i III.8, bao g�m c� các �ng d�ng tr�c ti�p và gián ti�p, c� các �ng d�ng nghiên c�u quá trình và các �ng d�ng phân tích v�t li�u. Ngoài 2 cách phân lo�i các bài toán �ng d�ng phân tích nhi�t trong nghiên c�u v�t li�u như nêu trên, phân tích nhi�t còn �ư�c �ng d�ng r�ng rãi trong l�nh v�c nghiên c�u ��ng h�c, g�i là ��ng h�c phân tích nhi�t. Ph�n dư�i �ây s� gi�i thi�u k� hơn v� các bài toán ��ng h�c phân tích nhi�t, hay nói c� th� hơn là các �ng d�ng nghiên c�u ��ng h�c b�ng phân tích nhi�t. III.2.2. Các bài toán ng h c phân tích nhi t Các �ng d�ng c�a phân tích nhi�t �� gi�i quy�t các bài toán ��ng h�c n�m trong s� các bài toán �ng d�ng m� r�ng c�a phân tích nhi�t �ư�c nhi�u ngư�i quan tâm. V� nguyên t�c, các bài toán ��ng h�c phân tích nhi�t thư�ng �ư�c chia ra thành 2 d�ng cơ b�n: - ��ng h�c ��ng nhi�t (Isothermal kinetics), - ��ng h�c b�t ��ng nhi�t (Nonisothermal kinetics). Hai d�ng trên khác nhau c� v� cách th�c ti�n hành th�c nghi�m c�ng như mô hình tính toán và x� lý d� li�u, nhưng có chung m�t m�c �ích là xác ��nh các thông s� ��ng h�c và nhi�t ��ng l�c h�c c�a các quá trình công ngh�. Xu�t phát �i�m c�a c� 2 mô hình ��ng h�c ��ng nhi�t và b�t ��ng nhi�t là phương trình bán th�c nghi�m Avrami mô t� ��ng h�c các quá trình bi�n ��i v�t ch�t trong pha r�n: x = 1 – exp [– (kt)n] (3.1) Trong �ó: x: Lư�ng ch�t �ã tham gia quá trình bi�n ��i,
  11. Ch ng III. �ng d�ng phân tích nhi�t trong nghiên c�u v�t li�u 133 n: Th�a s� m� không th� nguyên (th�a s� Avrami), k: Th�a s� có th� nguyên t�c �� ph�n �ng. Ngư�i ta gi� thi�t r�ng s� ph� thu�c nhi�t �� c�a th�a s� k tuân theo ��nh lu�t Arrhenius, như v�y: k = A exp (3.2) RT V�i : A: Th�a s� trư�c hàm m� (th�a s� t�n su�t), E: N�ng lư�ng ho�t hoá, R: H�ng s� khí, T: Nhi�t �� tuy�t ��i (K). T� các phương trình xu�t phát (3.1) và (3.2), các x� lý toán h�c ti�p theo s� d�n ��n các mô hình ��ng h�c khác nhau và tương �ng là các phương pháp th�c nghi�m khác nhau. III.2.2.1. Nghiên c!u "#ng h$c "%ng nhi&t b(ng phân tích nhi&t Trong các thí nghi�m ��ng h�c ��ng nhi�t nói chung, ngư�i ta kh�o sát s� thay ��i các tính ch�t lý hoá nào �ó c�a h� theo th�i gian khi duy trì nhi�t �� c�a h� t�i m�t giá tr� không ��i. M�t lo�t thí nghi�m v�i các giá tr� nhi�t �� không ��i khác nhau s� cho m�t h� �ư�ng ��ng nhi�t. Ví d� : kh�o sát s� thay ��i �� d�n theo th�i gian �ng v�i các giá tr� nhi�t �� khác nhau. T� h� các �ư�ng ��ng nhi�t th�c nghi�m, chúng ta có th� xác ��nh �ư�c các thông s� ��ng h�c chính c�a quá trình như h�ng s� t�c �� ph�n �ng, n�ng lư�ng ho�t hoá, b�c ph�n �ng hay th�a s� Avrami. Phương pháp ��ng nhi�t �ư�c �ng d�ng trong nhi�u l�nh v�c, ��c bi�t trong nghiên c�u ��ng h�c xúc tác. Các phép �o các thông s� hoá lý quan tr�ng c�a v�t li�u xúc tác �ư�c ti�n hành khi duy trì nhi�t �� không ��i. B� d� li�u ��ng nhi�t v�i các giá tr� nhi�t �� th�c nghi�m khác nhau cho phép xác ��nh các ��c trưng quan tr�ng c�a v�t li�u xúc tác. Các th�c nghi�m ��ng h�c ��ng nhi�t có th� th�c hi�n v�i các công c� phân tích khác nhau, trong �ó có phân tích nhi�t. Như v�y, ��ng h�c ��ng nhi�t phân tích nhi�t là phương pháp nghiên c�u ��ng
  12. 134 Nguy�n Ti�n Tài h�c ��ng nhi�t �ư�c th�c hi�n trên các công c� phân tích nhi�t, như DTA, DSC, TGA. ��c �i�m chung c�a các thí nghi�m ��ng nhi�t b�ng phân tích nhi�t là chương trình nhi�t g�m 2 bư�c. - Bư�c 1: quét nhi�t th�t nhanh ��n giá tr� nhi�t �� T* �ã ch�n trư�c. - Bư�c 2: Gi� nhi�t �� không ��i theo th�i gian t�i giá tr� nhi�t �� T* �ã ��t �ư�c � bư�c 1, ��ng th�i thu tín hi�u phân tích nhi�t (quét nhi�t v�i t�c �� quét =0). Tín hi�u phân tích nhi�t s� có d�ng: F = f(t)T* (3.3) Trong �ó: F ��i lư�ng hoá lý �ư�c kh�o sát, t Th�i gian, T* Nhi�t �� c� ��nh. X� lý b� d� li�u ��ng nhi�t th�c nghi�m (3.3), chúng ta d� dàng nh�n �ư�c các thông s� ��ng h�c cơ b�n c�a quá trình như th�a s� Avrami n, th�a s� trư�c hàm m� A, n�ng lư�ng ho�t hoá E. Trên b�ng 3.7 là các thông s� c�a chương trình nhi�t �i�n hình áp d�ng cho thí nghi�m ��ng nhi�t phân tích nhi�t và hình 3.2 là d�ng gi�n �� quét nhi�t tương �ng. B�ng 3.7: Chư�ng trình nhi�t th�c hi�n các phép �o ��ng nhi�t o o Bư�c T�c �� ( C/min.) To ( C) T* Th�i gian d�ng (min.) o ( C) 1 100 25 100 0 2 0 100 100 120 T�c �� quét nhi�t c�a bư�c 1 thư�ng �ư�c ��t tương ��i cao (50÷100oC/min). ��t t�c �� quét nhi�t cao như trên không khó ��i v�i �a ph�n các thi�t b� phân tích nhi�t hi�n ��i, nhưng ��t t�c �� quét nhi�t cao trong m�t chương trình quét nhi�t �a bư�c, ti�p ngay sau bư�c quét t�ng nhi�t nhanh là bư�c ��ng nhi�t hay h� nhi�t thì không ph�i thi�t b� phân tích nhi�t nào c�ng �áp �ng �ư�c. Khi �ó thư�ng x�y ra hi�n tư�ng chương trình quét nhi�t b� phi tuy�n quanh bư�c chuy�n, r�t khó ��t �ư�c d�ng g�p khúc như chương trình (�ư�ng b trên hình 3.1) ho�c không ��t ngay �ư�c t�i
  13. Ch ng III. �ng d�ng phân tích nhi�t trong nghiên c�u v�t li�u 135 nhi�t �� T* (�ư�ng c trên hình 3.1) ho�c ngư�c l�i, vư�t quá nhi�t �� T* (�ư�ng a trên hình 3.1). Hình 3.1: D�ng chư�ng trình quét nhi�t �i�n hình cho nghiên c�u ��ng h�c ��ng nhi�t.. Có th� kh�c ph�c hi�n tư�ng phi tuy�n nêu trên nh� thay ��i các thông s� quét nhi�t c�a thi�t b�. �ôi khi, �� kh�c ph�c hi�n tư�ng này, ngư�i ta th�c hi�n m�t cách d� dàng bư�c 1 trên m�t lò nhi�t bên ngoài thi�t b� phân tích nhi�t, sau �ó chuy�n nhanh m�u vào lò c�a thi�t b� phân tích nhi�t �� ch�y ti�p bư�c 2 c�a chương trình nhi�t. Hình.3.2: D� li�u DTA ��ng nhi�t o T* = 124 – 125 – 126 – 127 và 128 C.
  14. 136 Nguy�n Ti�n Tài Trong ph�n l�n các thí nghi�m ��ng nhi�t phân tích nhi�t, T*>To, bư�c 1 là quét t�ng nhi�t. Trong trư�ng h�p ngư�c l�i, To>T*, t�c là nhi�t �� ��ng nhi�t th�p hơn nhi�t �� môi trư�ng, bư�c 1 �óng vai trò làm l�nh nhanh. Các thí nghi�m làm l�nh �òi h�i ph�i có tác nhân l�nh, thư�ng là nitơ l�ng và nói chung khó th�c hi�n hơn so v�i các thí nghi�m ��ng nhi�t � nhi�t �� cao. Hình 3.2 là m�t b� d� li�u ��ng nhi�t DTA �i�n hình. H� �ư�ng ��ng nhi�t DTA g�m 5 gi�n �� DTA, �ng v�i 5 giá tr� nhi�t �� chênh l�ch nhau t�ng 1oC, t� 124oC ��n 128oC. Th�i gian th�c hi�n ��ng nhi�t là 40min. D� dàng nh�n th�y khi t�ng nhi�t ��, hi�u �ng nhi�t có xu hư�ng ch�y v� phía nhi�t �� cao hơn. Các thí nghi�m ��ng nhi�t c�ng có th� �ư�c th�c hi�n trên các công c� phân tích nhi�t khác, như DSC hay TGA. Hình 3.3 là m�t b� d� li�u ��ng nhi�t TGA, g�m 4 gi�n �� ��ng nhi�t. D� li�u ��ng nhi�t cho th�y quá trình thay ��i kh�i lư�ng s� di�n ra nhanh � nhi�t �� ��ng nhi�t cao hơn. Phương pháp ��ng h�c ��ng nhi�t �ư�c xem là phương pháp nghiên c�u ��ng h�c truy�n th�ng. Nó �ơn gi�n c� v� th�c nghi�m c�ng như x� lý d� li�u th�c nghi�m, nhưng có m�t h�n ch� �áng k� so v�i phương pháp ��ng h�c b�t ��ng nhi�t là nó �òi h�i nhi�u th�i gian. Ví d�, mu�n có m�t h� �ư�ng ��ng nhi�t g�m 5 gi�n �� nhi�t, th�i gian ��ng nhi�t cho m�i gi�n �� thông thư�ng là 2 gi�, chúng ta ph�i m�t 10 gi� cho ph�n ��ng nhi�t và kho�ng th�i gian tương t� ho�c l�n hơn �� �ưa nhi�t �� lò v� tr�ng thái xu�t phát. Hình 3.3: D� li�u TGA ��ng nhi�t
  15. Ch ng III. �ng d�ng phân tích nhi�t trong nghiên c�u v�t li�u 137 III.2.2.2. Ph,-ng pháp "#ng h$c b.t "%ng nhi&t Nguyên lý và quy trình c�a phương pháp ��ng h�c b�t ��ng nhi�t th�c hi�n trên thi�t b� phân tích nhi�t như sau: Ti�n hành m�t lo�t thí nghi�m phân tích nhi�t v�i các t�c �� quét nhi�t khác nhau còn các �i�u ki�n th�c nghi�m khác hoàn toàn như nhau, sau �ó x� lý các d� li�u th�c nghi�m nh�n �ư�c theo các mô hình ��ng h�c b�t ��ng nhi�t �� nh�n �ư�c các thông s� ��ng h�c quá trình. Như v�y, �� th�c hi�n các th�c nghi�m b�t ��ng nhi�t, thay vì gi� nhi�t �� không ��i theo th�i gian như trong nghiên c�u ��ng nhi�t, ngư�i ta ti�n hành quét nhi�t �� tuy�n tính theo th�i gian: T = To + �t (3.4) T�c �� quét nhi�t � trong bi�u th�c trên là m�t trong các thông s� th�c nghi�m �óng vai trò quan tr�ng trong ��ng h�c b�t ��ng nhi�t. Có r�t nhi�u mô hình lý thuy�t ��ng h�c b�t ��ng nhi�t khác nhau, tu� thu�c cách x� lý toán h�c phương trình xu�t phát (3.1) c�ng như cánh ch�n các �i�u ki�n biên. Hai trong s� các mô hình �ư�c áp d�ng nhi�u trong phân tích nhi�t �� nghiên c�u các quá trình bi�n ��i pha, quá trình k�t tinh và nhi�u quá trình bi�n ��i hoá h�c khác là mô hình Ozawa và mô hình Kissinger. Mô hình th� nh�t �ư�c dùng nhi�u trong nghiên c�u v�t li�u polyme và v�t li�u h�u cơ, trong khi mô hình th� hai thư�ng �ư�c áp d�ng cho các ��i tư�ng vô cơ, kim lo�i và h�p kim. Trên h� thi�t b� phân tích nhi�t Shimadzu TA50, ngoài ph�n m�m h� th�ng TA WSI50 �i�u hành ho�t ��ng chung c�a h� thi�t b�, còn có m�t s� ph�n m�m m� r�ng, trong �ó có ph�n m�m h� tr� tính toán các thông s� ��ng h�c, xây d�ng trên cơ s� mô hình ��ng h�c b�t ��ng nhi�t Ozawa (Ph� l�c 1). Ph�n m�m h� tr� này �ã �ư�c khai thác ph�c v� các nghiên c�u c�a Phòng thí nghi�m phân tích nhi�t theo hư�ng ��ng h�c b�t ��ng nhi�t. Chính vì v�y, dư�i �ây s� gi�i thi�u sơ lư�c phương pháp tính toán và th�c nghi�m phân tích nhi�t d�a trên mô hình ��ng h�c b�t ��ng nhi�t Ozawa. Các d� li�u ��ng h�c nh�n �ư�c theo mô hình Kissinger �ư�c nêu ra v�i m�c �ích tham kh�o và so sánh. Ozawa �ã xây d�ng mô hình ��ng h�c b�t ��ng nhi�t cho c� trư�ng h�p DSC và TGA. Dư�i �ây s� mô t� tóm t�t ph�n ��ng h�c
  16. 138 Nguy�n Ti�n Tài b�t ��ng nhi�t Ozawa cho DSC theo tài li�u hư�ng d�n s� d�ng ph�n m�m c�a hãng Shimadzu. Xu�t phát t� phương trình cơ b�n c�a ��ng hoá h�c: dx n dt = A exp RT (1 x ) (3.5) Trong �ó: dx/dt: T�c �� ph�n �ng; A: Th�a s� trư�c hàm m� (th�a s� t�n su�t); E: N�ng lư�ng ho�t hoá; 1 x: Ph�n ch�t chưa th�c hi�n ph�n �ng; R: H�ng s� khí; n: B�c ph�n �ng; T: Nhi�t �� (K) Khi th�c hi�n phép quét nhi�t v�i t�c ��: dT = (3.6) dt Trong �ó: �: T�c �� quét nhi�t, Tp: Nhi�t �� ��nh thu ho�c to� nhi�t. Phương trình ��ng h�c (3.5) s� có th� �ư�c bi�u di�n dư�i d�ng g�n �úng cho trư�ng h�p quét nhi�t tuy�n tính như sau: 1 log10 = 0,4567 + const (3.7) R T Như v�y, n�u t� k�t qu� th�c nghi�m DSC v�i các t�c �� quét nhi�t � khác nhau, l�p s� ph� thu�c log(�) theo 1/T, chúng ta s� �ư�c m�t �ư�ng th�ng. H� s� góc xác ��nh theo (3.7) cho phép xác ��nh n�ng lư�ng ho�t hoá E, m�t trong nh�ng thông s� ��ng hoá h�c quan tr�ng:
  17. Ch ng III. �ng d�ng phân tích nhi�t trong nghiên c�u v�t li�u 139 = 0,4567 (3.8) R �� h�n ch� sai s� do các bư�c bi�n ��i g�n �úng t� (3.5) t�i (3.8), ngư�i ta thư�ng áp d�ng m�t s� gi�i pháp hi�u chính. Gi�i pháp hi�u chính �ư�c s� d�ng trong ph�n m�m “DSC Kinetic Program -Ozawa method” là d�a theo tiêu chu�n ASTM E698 79. T� (3.5) và (3.7) có th� ti�p t�c các bi�n ��i g�n �úng �� nh�n �ư�c bi�u th�c xác ��nh th�a s� t�n su�t A: A exp 0 (3.9) RT 2 RT M�t khác, b�c ph�n �ng có th� xác ��nh t� công th�c g�n �úng xác ��nh giá tr� ph�n tr�m ch�t tham gia ph�n �ng tính t�i nhi�t �� Tp: 1 1 Cm = n�u n = 1; (3.10) e 1 1 Cm = n 1 n n�u n 1. (3.11) Hình 3.4: H� gi�n �� DSC b�t ��ng nhi�t �� xác ��nh các thông s� ��ng h�c c� b�n t� d� li�u DSC nh� ph�n m�m “DSC Kinetic Program – Ozawa method”. Hình 3.4 là h� �ư�ng DSC b�t ��ng nhi�t và k�t qu� xác ��nh các
  18. 140 Nguy�n Ti�n Tài thông s� ��ng h�c theo “DSC Kinetic Program – Ozawa method” ��i v�i các d� li�u này. H� gi�n �� DSC b�t ��ng nhi�t g�m t�i thi�u là 3 gi�n ��, nh�n �ư�c t� 3 phép �o DSC hoàn toàn tương �ương nhau v� �i�u ki�n th�c nghi�m, tr� t�c �� quét nhi�t là khác nhau. Ph�n m�m cho phép xác ��nh 3 thông s� ��ng h�c quan tr�ng là: n�ng lư�ng ho�t hoá, b�c ph�n �ng và th�a s� t�n su�t. Hình 3.5 là �� th� bi�u di�n s� ph� thu�c (3.7) t� d� li�u hình 3.4. Hình 3.5: S� ph� thu�c tuy�n tính (3.7) xác ��nh t� d� li�u DSC hình 3.4. Sau khi �ã xác ��nh �ư�c th�a s� t�n su�t A và n�ng lư�ng ho�t hoá E, chúng ta hoàn có th� xác ��nh �ư�c h�ng s� t�c �� t�i các giá tr� nhi�t �� b�t k�: k= A exp (3.12) RT Áp d�ng giá tr� h�ng s� t�c �� ph�n �ng tính t� (3.12), ta có th� tính �ư�c n�ng �� C c�a ch�t tham gia ph�n �ng theo th�i gian t�i các giá tr� nhi�t �� cho trư�c T, t�c là toàn b� b�c tranh ��ng h�c c�a quá trình: dC = k (1 C n ) (3.13) dt Hình 3.6 là 2 �ư�ng ��ng h�c ��ng nhi�t �ng v�i các giá tr� nhi�t
  19. Ch ng III. �ng d�ng phân tích nhi�t trong nghiên c�u v�t li�u 141 �� 80oC và 100oC, tính t� các d� li�u DSC b�t ��ng nhi�t hình 3.4, b�ng ph�n m�m “DSC Kinetic Program – Ozawa Method”. Hình 3.6: D� li�u ��ng h�c ��ng nhi�t nh�n �ư�c t� d� li�u ��ng h�c b�t ��ng nhi�t Ozawa. C�ng xu�t phát t� phương trình ��ng h�c cơ b�n Avrami, Kissinger l�i �ưa ra mô hình ��ng h�c b�t ��ng nhi�t khác, theo �ó t� d� li�u th�c nghi�m c�a các phép �o b�t ��ng nhi�t c�a phân tích nhi�t có th� xác ��nh �ư�c n�ng lư�ng ho�t hoá tương t� như v�i mô hình ��ng h�c b�t ��ng nhi�t Ozawa k� trên, nhưng bi�u th�c (3.7) �ư�c thay b�ng bi�u th�c sau: 1 (3.14) Ln( ) = 0,4567 + const R T2 Mô hình ��ng h�c b�t ��ng nhi�t Kissinger áp d�ng v�i d� li�u th�c nghi�m hình 3.4 cho giá tr� n�ng lư�ng ho�t hoá là E = 44,8kJ/mol, trong khi k�t qu� tính theo mô hình Ozawa là E = 48,44 kJ/mol. M�t s� �ng d�ng ��ng h�c phân tích nhi�t, k� c� ��ng nhi�t và b�t ��ng nhi�t, trong các bài toán nghiên c�u v�t li�u c� th� s� �ư�c trình bày trong các m�c III.3, III.4, III.5 và III.7.
  20. 142 Nguy�n Ti�n Tài III.3.Nghiên c#u ph1n #ng t ng h7p LaNi5 b9ng công ngh, khu
ADSENSE

CÓ THỂ BẠN MUỐN DOWNLOAD

 

Đồng bộ tài khoản
8=>2