用熱分析法研究竹材熱解特性影響因素

第25卷第2期竹子研究匯刊Vol 25. No. 22006年5月JOURNAL OF BAMBOO RESEARCHMay,2006用熱分析法研究竹材熱解特性影響因素李文珠1何擁軍2陳普(1.浙江林學(xué)院工程學(xué)院,浙江臨安311300;2浙江省義烏市大陳鎮農業(yè)服務(wù)中心浙江義烏322011;福建省南平市技術(shù)監督局,福建南平35摘要運用熱重/差示掃描(TG/DSC)同步熱分析法,通過(guò)實(shí)驗分析了不同氮氣流量、不同升溫速度、不同竹齡等因素對毛竹材熱解過(guò)程的影響。結果表明:(1)氮氣流量的變化對差熱掃描量熱曲線(xiàn)沒(méi)有明顯影響,隨謄氮氣流量的增大,在熱解過(guò)程中失重增大,且最終剩余固體產(chǎn)物量呈遞減的趨勢。(2)升速度變化對熱重曲線(xiàn)沒(méi)有明顯影響,對DSC曲線(xiàn)的影響較明顯。隨著(zhù)升溫速度的增大,在整個(gè)熱解過(guò)程中吸放熱更明顯。(3)在相同的試驗條件下,不同竹齡的竹材的熱解過(guò)程中熱量吸放和失重變化溫度點(diǎn)存在著(zhù)一定的差值鍵詞同步熱分析;毛竹;熱解;影響因素The factors Influencing the Characteristicsof Bamboo Pyrolysis, a Hot Analytic ApproachLi Wenzhu' He yongjun Chen Pu(1. School of Engineering, Zhejiang Forestry College, Lin'an 311300, Zhejiang, China;2. Agricultural Service Centre of Da-Chen Town Yiwu, Yiwu 3220113, Zhe jiang, China:3. Bureau of Technical Supervision of Nanping City, Nanping 353001, Fujian, China)Abstract Using hot weight-difference shows and scans(TG/DSC)the synchronous hotanalytic approach, factors such as different nitrogen flow, temperature raise pace, andbamboo ages were analyzed in the course of bamboo pyrolysis, The results showed (1)The change of the nitrogen flow did not obviously influence the hot curve of hotscanning amount of difference, with the increase of the nitrogen flow the weightlessnessincreased, and the remain solid amount decreased. (2)The change of temperature raisepacesly influence the hot heavy curve. The impact on dSc curve wasrelatively obvious. With the increase of the temperature raise pace, endothermic andexothermic phenomena were obvious during pyrolysis. (3) Under the same experimentalcondition, there found obvious difference during the whole pyrolysis of different bambooKey words Simultaneous thermal analyzer; Bamboo; Pyrolysis Influencing factors熱分析是在程序控制溫度的條件下,測量各類(lèi)物質(zhì)在很寬的溫度范圍內進(jìn)行定性、定量物質(zhì)的物理性質(zhì)與溫度關(guān)系的一種技術(shù),是對表征的極其有效的手段(2根據測量物質(zhì)的物理性質(zhì)的不同,熱分析方法的種類(lèi)是多種多樣收稿日期:2006-03-12的。如:差熱分析(DTA)熱重分析(TG)、差示基金項目:浙江省重點(diǎn)招標資助項目(2003c12016)作者簡(jiǎn)介李文珠(1974-),女,浙江龍游人實(shí)驗師,主掃掎C扭姚托TMA、DMA要從事木材科學(xué)與技術(shù)研究,E- mail.lwz@ife.edu,等中國煤化工是熱重CNMHG究匯刊第25卷法、差熱分析和差示掃描量熱法。隨著(zhù)新的學(xué)科線(xiàn)以消除儀器自身的浮力對試驗結果的影響,和材料工業(yè)的不斷發(fā)展,熱分析所研究的物質(zhì)試驗中對同種樣品進(jìn)行一次重復測試,以驗證由無(wú)機物逐步擴展到有機物高聚物等。日本實(shí)驗可重復性。學(xué)者阪田祐作等用流通式熱天平在N2氣流下2.2.1不同氮氣流量條件下竹材熱分析選測定了苦竹材的熱重曲線(xiàn)43。陳紀忠等利用熱取4年生的毛竹,設定起始溫度為20℃,升溫速重分析儀進(jìn)行了竹材熱解動(dòng)力學(xué)的研究但度20℃·min-1,終點(diǎn)溫度為600℃,改變吹掃氮由于熱分析是一種動(dòng)態(tài)溫度分析技術(shù),有很多氣流量(10mL·min-1、20mL·min-、30mL因素會(huì )影響它的測試結果,試驗條件等因素的min-1、40mL·min-1),做TG/DSC曲線(xiàn),進(jìn)變化對竹材熱重/差示掃描分析結果的影響方行熱分析對比。面的研究未見(jiàn)報道。2.2.2不同升溫速度條件下竹材熱分析選本文運用同步熱分析儀,通過(guò)對不同氮氣取4年生的毛竹,設定起始溫度為20℃,終點(diǎn)溫流速、不同升溫速度和不同竹齡的毛竹進(jìn)行熱度為600℃C,氮氣流量為25mL·min-1,改變升分析測試,分析總結了各因素對竹材熱解過(guò)程溫速度(10℃c·min-1、20℃·min-1、30℃中的熱重和差示掃描量熱變化的影響,對正確min-1、40℃·min-1),做TG/DSC曲線(xiàn),進(jìn)行進(jìn)行測試,提高測試的精度具有實(shí)際的參考意熱分析對比。義,也為進(jìn)一步研究竹材熱解理論提供參考。2.2.3不同竹齡竹材熱分析本試驗選取不同年齡的毛竹材(1年生、2年生、3年生、4年1材料與設備生、5年生、6年生),試驗時(shí)設置起點(diǎn)溫度為20℃,熱解爐升溫速率為20℃·min-,吹掃氮1.1試驗材料氣流量為25mL·min-1,終點(diǎn)溫度為1000℃。毛竹( Phyllostachys heterocycla var.同時(shí)得到熱重(TG)曲線(xiàn),微分熱重曲線(xiàn)pubescen)取自浙江臨安板橋林場(chǎng),竹齡分別為(DTG)和差示掃描(DSC)曲線(xiàn)。1、2、3、4、5、6a。1.2試驗設備3結果與分析STA409PC同步熱分析儀,德國耐弛公司;電子天平,精確到0.00001g,瑞士梅特勒3.1不同氮氣流量條件下竹材熱分析公司;101-1型電熱鼓風(fēng)干燥箱;玻璃干燥器。不同氮氣流量條件下竹材同步熱分析測試結果見(jiàn)下圖1。2試驗方法2.1試樣制取在不同竹齡竹材的基部用手工鋸鋸取竹粉若干,用100目的標準篩分選,在電熱鼓風(fēng)干燥箱中干燥3~5h,取出置于玻璃干燥器中,冷卻后用塑料袋封存待用2.2試驗方法和條件采用德國耐弛STA409-PC同步熱分析儀1不同氮氣流量下竹材熱解曲線(xiàn)對比進(jìn)行熱分析測試。用十萬(wàn)分之一的電子天平稱(chēng)Fig 1 Pyrolysis curves of bamboo under取約5mg的竹粉,裝人TG/DSC專(zhuān)用的Al2Odifferent nitrogen fle鉗鍋中,然后放入爐體中的樣品支架上以高純(1-10,2-20,3-30,4-40;單位:mL·min-1)氮氣為氣氛,并設定熱天平保護氣氮氣的流量為15mL·min-.在試驗之前用空坩鍋先做基的增中國煤化工著(zhù)氯氣流量終剩余固CNMHG第2期李文珠等用熱分析法研究竹材熱解特性影響因素體產(chǎn)物量呈遞減的趨勢。這說(shuō)明爐內通人氮氣較小。升溫速度20℃·min-時(shí),吸放熱值有所的流速直接影響試樣熱解時(shí)產(chǎn)生的氣體產(chǎn)物的增大升溫速度繼續增大,第二個(gè)吸熱峰逐漸變逸出與擴散。氣體流量過(guò)低則不能使氣體產(chǎn)物小或消失,放熱峰表現明顯。充分逸出,從而影響試驗結果;但氣體流量過(guò)大因此,對比四種升溫速度下得到的TG曲則會(huì )使儀器的噪聲增加。線(xiàn)和DSC曲線(xiàn),選擇20℃·min-1的升溫速度當氮氣流量為10mL·min-時(shí),吸放熱值得到的曲線(xiàn)的吸收峰最明顯,峰形尖銳,分辨率較大,隨著(zhù)氮氣流量的增大,熱解過(guò)程中吸放熱最好,且TG曲線(xiàn)中固體產(chǎn)物量最大。值減小這說(shuō)明隨著(zhù)氮氣流量的越大,爐內的氣3.3不同竹齡竹材熱分析流場(chǎng)流速越大,樣品放出的熱量被帶走越多,在相同的試驗條件下對不同竹齡毛竹材進(jìn)DSC曲線(xiàn)上表現為吸放熱峰較平緩。行同步熱分析測試,結果見(jiàn)下圖3。從圖中可以看出,20mL·min-1和30mLDsc/(ntmin-1的氣體流量時(shí)熱重曲線(xiàn)比較相近,因此,一般設定氮氣流量在20~30mL·min-2之間比較適宜。3.2不同升溫速度條件下竹材熱分析不同升溫速度條件下竹材同步熱分析測試3結果見(jiàn)下圖2。圖3不同竹齡竹材熱解曲線(xiàn)圖ig. 3 Pyrolysis curre of bamboo with different age(1-1年生,2-2年生,3-3年生,44年生,5_5年生6-6年生)由圖3中的熱重曲線(xiàn)(TG)和差示掃描量熱(DSC)曲線(xiàn)可知:(1)三種竹齡的毛竹材熱解過(guò)程可分為:室圖2不同升溫速度條件下竹材熱解曲線(xiàn)對比溫到120℃為干燥過(guò)程,失重主要是竹材中水分Fig. 2 Pyrolysis curres of bamboo under different的揮發(fā),同時(shí)DSC曲線(xiàn)有一個(gè)吸熱峰;120~temperature raise pace200℃為恒重過(guò)程,開(kāi)始放熱,且曲線(xiàn)發(fā)展緩慢,(1-10,2-20,3-30,4-40;單位;c·min-1)沒(méi)有失重變化;200~400℃為熱分解主要過(guò)程,從上圖可以看出,隨著(zhù)升溫速度的提高,即失重明顯,出現一個(gè)明顯的吸熱峰;400℃之后從10℃·mn到40c·min-2,樣品的TG和為炭化過(guò)程,失重平緩并趨于恒定,800℃左右DsC曲線(xiàn)有明顯右移趨勢。對比TG曲線(xiàn)可見(jiàn),又有一個(gè)大的吸熱峰這可能是竹炭?jì)炔繕嬙焐郎卦娇?加熱爐內氣流溫度在低溫段停留時(shí)變化引起的。間越短,把各種反應直接推向高溫區,使反應溫(2)對比不同竹齡毛竹材熱解的熱重曲線(xiàn)度滯后,在高溫區由于起始能量大,反應劇烈,(TG),在200℃之前失重情況基本一致,這說(shuō)明縮短了熱解所需的時(shí)間。但升溫速度過(guò)大會(huì )引同樣的試驗條件下材料的含水率相同;200℃之起反應過(guò)于劇烈,從而影響結果的分析后熱解速度有所不同,隨竹齡的增加失重值和由于升溫速度直接影響爐壁與試樣、外層最大失重溫度增大;隨著(zhù)溫度繼續上升最終得試樣與內部試樣間的傳熱和溫度梯度所以升到的固體產(chǎn)物的量略有不同,隨竹齡增加略有溫速度對DsC曲線(xiàn)的影響較明顯。升溫速度下降,5a后基本穩定。這說(shuō)明不同竹齡竹材的10C·min-2條件下,吸放熱值最小,曲線(xiàn)最平有機緩,有兩個(gè)淺吸收峰,整個(gè)熱解過(guò)程放熱值相對量略H中國煤化工的增長(cháng)其含CNMHG份含量相對34竹子研究匯刊第25卷穩定。響,對DSC曲線(xiàn)的影響較明顯。隨著(zhù)升溫速度(3)對比不同竹齡毛竹材熱解的差示掃描的增大,在整個(gè)熱解過(guò)程中吸放熱更明顯量熱曲線(xiàn)(DSC),隨著(zhù)竹齡的增加,DSC曲線(xiàn)(3)在相同的試驗條件下,不同竹齡的竹材上的吸熱峰面積明顯增大,即熱解吸收的熱量的熱解過(guò)程中熱量吸放和失重變化溫度點(diǎn)存在越大,1年生到3年生的竹材相近,4年生以上著(zhù)一定的差值。的竹材相近。參考文獻結論[]李余增熱分析[M].北京:清華大學(xué)出版社,1987.2[2]黃一石儀器分析DM]北京:化學(xué)工業(yè)出版社,2002通過(guò)以上試驗對比了不同氮氣流量不同[31胡小安,營(yíng)春平等,熱分析的現狀及進(jìn)限[1楚雄師范學(xué)院學(xué)報,2005,20(3):37~40升溫速度和不同竹齡毛竹材的熱解曲線(xiàn),結果[幻胡福昌,陳順偉,日本竹材熱解研究的現狀[林業(yè)科技表明:(1)氮氣流量的變化對差熱掃描量熱曲線(xiàn)沒(méi)有明顯影響,隨著(zhù)氮氣流量的增大,在熱解過(guò)5]阪田祐作難波竹己等竹活性炭O制造上子分子石程中失重增大,且最終剩余固體產(chǎn)物量呈遞減v吸著(zhù)特性:十氵彀活性炭上比較, Bamboo Journal,的趨勢。1993,(11):71~77(2)升溫速度變化對熱重曲線(xiàn)沒(méi)有明顯影陳紀忠等.竹材熱解動(dòng)力學(xué)的研究[門(mén)]林產(chǎn)化學(xué)與工業(yè)2005,25(2):11CH4-CGGGGGGGGGGG6666666G6CCGCGCCEEEEE∈ee∈∈∈ HG-6G6G6G∈∈