PL209309B1 - Sposób określania zawartości wielopostaciowych odmian alotropowych węgla (54) w kompozytach oraz urządzenie do określania zawartości odmian alotropowych węgla w kompozytach - Google Patents

Description

Opis wynalazku

Przedmiotem wynalazku jest sposób określania zawartości wielopostaciowych odmian alotropowych węgla w kompozytach, w których odmiany te występują jednocześnie albo w dowolnej ich kombinacji, zwłaszcza węgla bezpostaciowego w postaci sadzy, węgla pirolitycznego, węgla w postaci fulerenów, grafitu i diamentu oraz urządzenie do określania zawartości odmian alotropowych węgla w kompozytach.

Coraz większego znaczenia we współczesnym świecie nabierają kompozyty i nanokompozyty. Są to materiały o strukturze niejednorodnej, złożone z dwóch lub więcej komponentów. Najczęściej jeden z komponentów stanowi lepiszcze, które gwarantuje jego spójność, twardość, elastyczność i odporność na ściskanie, a inny, stanowi tzw. komponent konstrukcyjny, który wpływa na własności mechaniczne, elektryczne i inne kompozytu. W większości kompozytów i nanokompozytów jako komponenty spełniające rolę lepiszcza stosowane są żywice syntetyczne. Natomiast jako komponent konstrukcyjny coraz częściej stosowany jest węgiel bezpostaciowy w postaci sadzy albo inne jego odmiany alotropowe jak fulereny, grafit czy diament. Wykorzystanie odmiany alotropowej węgla jako komponentu konstrukcyjnego związane jest z jego specyficznymi właściwościami chemicznymi. Wymieszanie odpowiedniej postaci węgla (sadzy, grafitu, fulerenu, diamentu) z polimerem powoduje powstanie układu gdzie - w zależności od wzajemnego stosunku reagentów - uzyskujemy materiały kompozytowe cechujące się np. zwiększoną wytrzymałością niż typowy polimer, czy właściwościami związanymi z dużą przewodnością cieplną, elektryczną itd. Dotychczas szerokie zastosowanie znalazły, zwłaszcza kompozyty zawierające sadzę oraz kompozyty zawierające włókna węglowe (wykonane z grafitu). Najnowsze doniesienia literaturowe informują także o prowadzonych z powodzeniem pracach nad kompozytami/nanokompozytami z zastosowaniem fulerenów. Dynamicznie rozwijająca się chemia kompozytów i nanokompozytów węglowych wymaga aparatury badawczej umożliwiającej wykonywanie analiz składu ilościowego i jakościowego komponentów w tym również konstrukcyjnych komponentów węglowych na poszczególnych etapach wytwarzania.

Z opisu patentowego nr 188942 znany jest sposób określania zawartości węgla pirolitycznego będącego mieszaniną węgla błyszczącego (o temp. utleniania T>600°C) i węgla amorficznego (o temp. utleniania 500-550°C), stosowany do badania masy bentonitowej. Sposób ten umożliwia oznaczanie sumarycznej zawartości węgla powstającego z rozkładu związku/związków chemicznych znajdującego się w analizowanym materiale. Węgiel pirolityczny wydzielający się w wyniku wygrzewania próbki, masy formierskiej, zawierającej dodatki materiału węglotwórczego, osadza się na powierzchni wypełniacza. Wygrzewanie prowadzi się przez 5 do 6 minut w temperaturze 900 ± 20°C, w atmosferze gazu obojętnego, a następnie doprowadza się tlen i/lub gaz zawierający tlen, w wyniku tego procesu spala się węgiel pirolityczny, a gazy poreakcyjne (spaliny) poddaje się analizie na zawartość dwutlenku węgla za pomocą sondy NDIR działającej na zasadzie pochłaniania promieniowania podczerwonego.

Ilość węgla w próbce ustala się metodami obliczeniowymi, na podstawie ilości CO2 w spalinach, natomiast na podstawie masy próbki (dokładnie zważonej) określa się zawartość nośnika węgla pirolitycznego w próbce.

Znane z opisu patentowego nr 188942 urządzenie ma piec, reaktor wewnątrz którego znajduje się wypełniacz. Reaktor wyposażony jest w doprowadzenie tlenu i azotu oraz wyprowadzenie gazów wylotowych. Badaną próbkę umieszcza się w tyglu ceramicznym (podajniku) i wprowadza się do wnętrza reaktora, po procesie pirolizy tygiel ceramiczny wraz z pozostałością po materiale analizowanym jest usuwany z urządzenia. Następnie węgiel pirolityczny osadzony na wypełnieniu reaktora jest utleniany przez dopływający do reaktora urządzenia tlen, a ilość wydzielonego tlenku węgla rejestrowana jest za pomocą sondy NDIR.

Z polskiego opisu patentowego 204703 znany jest sposób, w którym, badaną próbkę poddaje się wygrzewaniu w reaktorze, gdzie następuje rozkład związków/związku zawierającego węgiel, wydzielanie się węgla pirolitycznego i jego osadzanie na wypełnieniu. Wygrzewanie to prowadzone jest w atmosferze gazu obojętnego w temp. 900°C, a następnie po obniżeniu temperatury do 500°C usuwany jest ceramiczny tygiel i doprowadzany jest tlen i/lub gaz zawierający tlen. Następuje utlenianie się pozostałej na wypełnieniu reaktora frakcji węgla amorficznego (w temp. 520-550°C). Informacją o zakończeniu utleniania frakcji węgla amorficznego jest zanik sygnału pochodzącego od tlenków węgla z modułu analizującego gazy poreakcyjne. Następnie reaktor podgrzewa się i utlenia pozostałą na wypełnieniu frakcję węgla błyszczącego (w temp. min. 600°C). Zawartość poszczególnych frakcji

PL 209 309 B1 węgla w próbce określa się sposobami obliczeniowymi po analizie na zawartości tlenków węgla w gazach poreakcyjnych oddzielnie w każ dym z przeprowadzonych procesów utleniania.

Znane sposoby określania zawartości węgla są wprawdzie wykorzystywane w procesach przemysłowych jak np. przy wykonywaniu form odlewniczych, ale dotyczą one oznaczania zawartości węgla pirolitycznego, bądź jego frakcji - węgla pochodzącego z rozkładu związków chemicznych zawartych w analizowanym materiale. Urządzenia dostępne na rynku mają zastosowanie do oznaczania węgla w materiałach węglowych, w których węgiel występuje w postaci związków chemicznych i najczęściej umożliwiają oznaczanie wyłącznie zawartości wydzielonego węgla bez rozróżniania występujących w badanym materiale charakterystycznych (specyficznych) jego odmian.

Znane z polskiego opisu patentowego 204703 urządzenie umożliwia co prawda rozróżnienie frakcji węgla amorficznego i frakcji węgla błyszczącego w węglu pirolitycznym, ale urządzenie to nie może mieć zastosowania do analizy węglowych materiałów kompozytowych, gdzie oprócz węgla pirolitycznego występuje odmiana alotropowa węgla pierwiastkowego.

Poza tym wadą ww. urządzenia do analizy zawartości frakcji węgla amorficznego i węgla błyszczącego w węglu pirolitycznym jest to, że podgrzewanie do utleniania kolejnej odmiany węgla realizowane jest w atmosferze gazu utleniającego. Powoduje to, że przy dochodzeniu temperatury reaktora do temperatury zbliżonej do wartości charakterystycznej dla utlenienia frakcji węgla błyszczącego zachodzi już powolne utlenianie tej postaci węgla, ale sygnały detektorów o zawartości wydzielonych tlenków węgla w gazach poreakcyjnych są jeszcze niewiele większe od poziomu szumów modułu detekcyjnego.

Kolejną istotną wadą omawianego urządzenia jest brak rzeczywistej stabilizacji temperatury. Termoelement sprzęgnięty z termoregulatorem pokazuje temperaturę układu, która jak wykazują doświadczenia z racji usytuowania termoelementu w żadnym znanym urządzeniu nie jest temperaturą analizowanego materiału. Jednocześnie wiadomym jest, że proces utleniania w podwyższonych temperaturach odbywa się z wydzieleniem znacznej ilości ciepła, co powoduje, że w podajniku ceramicznym z materiałem badanym mają miejsce lokalne przegrzania sięgające kilkudziesięciu stopni. Znajdujące się w bezpośrednim sąsiedztwie spalanego węgla inne jego odmiany zaczynają się więc utleniać, powodując w efekcie końcowym zawyżanie zawartości odmian węgla utlenianych w niższej temperaturze z jednoczesnym zaniżaniem zawartości tych, utlenianych w wyższej temperaturze.

Żaden ze znanych sposobów oznaczania węgla nie jest przydatny do analizy wyżej podanych węglowych materiałów kompozytowych ze względu na jednoczesne występowanie w tym materiale węgla w postaci pierwiastkowej oraz węgla występującego w postaci związku chemicznego - żywicy.

Celem wynalazku jest opracowanie sposobu oznaczania zawartości poszczególnych odmian alotropowych węgla występujących w analizowanym materiale kompozytowym oraz oznaczania zawartości węgla pirolitycznego pochodzącego z rozkładu termicznego żywicy występującej w analizowanym materiale kompozytowym oraz urządzenie do stosowania tego sposobu.

Sposób według wynalazku polega na tym, że próbkę umieszcza się w reaktorze i podgrzewa do temperatury termicznego rozkładu kompozytu, w przedziale 700-800°C i w tej temperaturze pozostawia na czas nie krótszy niż 4 minuty. Następnie reaktor schładza się do temperatury, w której utlenia się węgiel w postaci sadzy, powyżej 320°C, po zakończeniu procesu utleniania sadzy reaktor podgrzewa się do temperatury, w której utlenia się węgiel pirolityczny, powyżej 500°C. Po zakończeniu procesu utleniania węgla pirolitycznego reaktor podgrzewa się do temperatury w której utleniają się fulereny, 540-590°C, a po zakończeniu tego procesu utleniania reaktor podgrzewa się do temperatury w której utlenia się diament, 730°C. Po zakoń czeniu procesu utleniania diamentu reaktor podgrzewa się do temperatury, w której utlenia się grafit, 800°C. Przy czym na każdym z etapów utleniania prowadzi się rejestrację ilości wydzielonych z poszczególnych odmian węgla tlenków węgla i na tej podstawie określa się zawartość poszczególnych odmian węgla w kompozycie.

Istotnym jest, że w czasie poszczególnych procesów utleniania badana próbka jest dodatkowo stabilizowana temperaturowo, strumieniem powietrza lub innego gazu chłodzącego skierowanego przeponowo na próbkę oraz że w trakcie podgrzewania w reaktorze jest atmosfera gazu obojętnego. Ponadto, w trakcie procesów utleniania w reaktorze jest gaz utleniający i gaz rozrzedzający.

Urządzenie według wynalazku ma zamknięty reaktor, wewnątrz którego znajduje się pojemnik z badaną próbką i wypełnienie. Reaktor jest umieszczony w piecu lub innym grzejniku i połączony z jednej strony ze ź ródł em atmosfery utleniającej i ze ź ródł em atmosfery oboję tnej a z drugiej strony z modułami detekcyjnymi CO, CO2. W urządzeniu tym między grzejnikiem a reaktorem, korzystnie nad podajnikiem ceramicznym z badaną próbką znajduje się przyłącze wlotowe gazu chłodzącego dołą4

PL 209 309 B1 czonego przez rotametr do źródła gazu chłodzącego/sprężonego powietrza; zaś przyłącze wylotowe gazu chłodzącego znajduje się nad wypełnieniem reaktora.

Proponowany sposób i urządzenie umożliwia badanie węglowych materiałów kompozytowych na zawartość węgla pierwiastkowego występującego w różnych postaciach alotropowych, z możliwością ich rozróżniania i ilościowego określania, zwłaszcza zawartości diamentu, grafitu, fulerenów, i węgla bezpostaciowego - sadzy oraz do oznaczania zawartości węgla pirolitycznego pochodzącego z pirolitycznego rozkł adu ż ywicy.

Wynalazek zostanie bliżej objaśniony na przykładzie analizy zawartości węgla znajdującego się w kompozycie składającym się z ż ywicy epoksydowej wzmocnionej grafitowymi włóknami węglowymi. Schemat ideowy urządzenia do analizy zawartości wielopostaciowych odmian alotropowych węgla występujących w kompozytach przedstawiono na rysunku.

W piecu elektrycznym 1 usytuowany jest reaktor 3, w postaci rury kwarcowej, wewnątrz której znajduje się wypełnienie 2, korzystnie w postaci waty kwarcowej. Analizowana próbka umieszczona w podajniku ceramicznym 4 wprowadzana jest poprzez głowicę wlotową 5, do reaktora 3. Reaktor urządzenia wyposażony jest w głowicę wlotową i głowicę wylotową, które umieszczone są na jego końcach. Jeden koniec reaktora wyposażony jest w głowicę wlotową 5 sprzęgniętą z układem dozowania gazów: obojętnego, gazu utleniającego, gazu rozrzedzającego. Gaz utleniający oraz gaz rozrzedzający wypływające ze swoich źródeł, butli gazowych, po przepływie przez odpowiednie regulatory masowego przepływu 16 i 17 i zmieszaniu w mieszalniku statycznym 15 poprzez zawór trójdrożny 9 kierowane są do głowicy wlotowej reaktora. Do zaworu trójdrożnego 9 doprowadzany jest także gaz obojętny wypływający ze swojego źródła (butli gazowej) po przepływie przez regulator masowego przepływu 18. Ilości gazów doprowadzanych do głowicy są tak dobrane, aby w poszczególnych etapach procesu oznaczania zawartości węgla, zapewnić wewnątrz reaktora odpowiednią atmosferę gazową atmosferę gazu utleniającego czy atmosferę gazu obojętnego. Drugi koniec reaktora wyposażony jest w głowicę z króćcem do wypływu gazów poreakcyjnych oraz termoelement sprzęgnięty z regulatorem temperatury pieca. Gazy poreakcyjne opuszczające reaktor przewodem kierowane są poprzez osuszacz 8, filtr zgrubny 7, pompę 10, filtr precyzyjny 14, regulator masowego przepływu 13 do układu detekcyjnego 11, 12 a następnie do wyciągu. Ponadto urządzenie wyposażone jest w gazowy układ chłodzący służący stabilizacji temperatury w etapach utleniania selektywnego odmian węgla występujących w analizowanym materiale. Układ ten składa się ze źródła gazu chłodzącego w postaci kompresora sprężonego powietrza, miernika ilości przepływającego gazu - rotametru 19 i przewodów doprowadzających gaz do strefy reaktora, w której zachodzi utlenianie węgla.

W przykładowym sposobie, próbkę w postaci naważki badanego kompozytu umieszcza się w ceramicznym podajniku 4 a następnie poprzez głowicę wlotową 5 wprowadza do ogrzewanego do temperatury min. 700°C reaktora kwarcowego 3, w którym panuje atmosfera gazu obojętnego - azotu. Azot z butli poprzez regulator masowego przepływu 18 i zawór trójdrożny 9 jest kierowany do głowicy wlotowej reaktora 5. Ilość azotu doprowadzanego do głowicy jest tak dobrana, aby w czasie pirolizy a także w etapach dogrzewań do kolejnych temperatur charakterystycznych zapewnić wewnątrz reaktora odpowiednią atmosferę gazową - atmosferę gazu obojętnego. Nadmiar azotu wyprowadzany jest do atmosfery przez głowicę wlotową reaktora odcinając w ten sposób dopływ do wnętrza reaktora powietrza atmosferycznego. Przepływ azotu przez reaktor, osuszacz 8, filtry 7 i 14 i moduły detekcyjne 11 i 12 urządzenia jest wymuszany przez pompę 10. Reaktor 3 z podajnikiem 4, w którym znajduje się analizowana próbka oraz wypełnienie 2 w postaci kwarcowej waty przetrzymywany jest przez czas ok. 4 min. w strefie maksymalnej temperatury grzejnika pieca 1 to jest w temperaturze 700°C. W tym czasie zachodzi termiczny rozkład kompozytu z wydzieleniem się węgla pirolitycznego pochodzącego z żywicy epoksydowej oraz grafitu (odmiany alotropowej węgla występującej w badanym materiale kompozytowym. Wydzielone odmiany węgla osadzają się zarówno na wypełnieniu reaktora jak i pozostają na powierzchni podajnika. Po zakończeniu procesu termicznego rozkładu kompozytu reaktor chłodzi się do temperatury min. 320°C wraz ze znajdującym się wewnątrz podajnikiem 4 z badaną próbką. W czasie chłodzenia wewnątrz urządzenia panuje atmosfera gazu obojętnego. W celu skrócenia czasu wykonania oznaczania zawartości węgla w badanym węglowym materiale kompozytowym, chłodzenie naturalne reaktora od temperatury, w której prowadzona jest piroliza węglowego materiału kompozytowego (700°C) do temperatury charakterystycznej dla selektywnego utleniania węgla bezpostaciowego - sadzy (320°C), dodatkowo wspomagane jest chłodzeniem za pomocą zastosowanego w urządzeniu układu do stabilizacji temperatury w czasie selektywnego utleniania. Układ podaje sprężone powietrze ze źródła gazu (kompresora) poprzez rotametr 19 do przyłącza wlotowego

PL 209 309 B1 gazu umieszczonego między grzejnikiem pieca 1 a reaktorem 3 w strefie reaktora nad podajnikiem ceramicznym z badaną próbką 4. Przyłącze wylotowe gazu chłodzącego znajduje się nad wypełnieniem 2 reaktora i połączone jest z atmosferą. Po osiągnięciu temperatury 320°C następuje zmiana atmosfery w reaktorze 3 na utleniającą. Gaz utleniający stanowi mieszanina tlenu i argonu. Tlen z butli poprzez regulator masowego przepływu 16 jest kierowany do mieszalnika statycznego 15, do którego dopływa także gaz rozrzedzający (argon) z butli poprzez regulator masowego przepływu 17. Z mieszalnika statycznego 15 gazy poprzez zawór trójdrożny 9 kierowane są do głowicy wlotowej reaktora 5. Przepływ tej mieszaniny gazów przez reaktor i moduły detekcyjne urządzenia jest wymuszany przez pompę 10, w sposób analogiczny do opisanego powyżej dla przepływu azotu.

Po spełnieniu obu warunków tj. obecności utleniającej atmosfery w reaktorze oraz osiągnięciu żądanej temperatury min. 320°C następuje selektywne utlenienie węgla bezpostaciowego - sadzy, o ile ta występuje w analizowanym materiale. Obecność sadzy zostanie wykryta przez moduły detekcyjne tlenków węgla 11 i 12 badające skład gazów poreakcyjnych. W momencie wykrycia w gazach poreakcyjnych tlenków węgla zostaje uruchomiona stabilizacja temperaturowa badanej próbki, która polega na przeponowym chłodzeniu tej części reaktora, w której znajduje się badana próbka przepływającym powietrzem. Stabilizacja ta utrzymywana jest aż do czasu zaniku informacji (sygnału) przekazywanego przez detektory CO, CO2, a ilość wydzielonego węgla bezpostaciowego występującego w postaci sadzy zarejestrowana by była przez program komputerowy sterujący programem oznaczania i rejestrującym przebiegi wskazań układu detektorów.

Stabilizacja temperatury utleniania każdej odmiany węgla poprzez przeponowe chłodzenie tej strefy reaktora, w której zachodzi utlenianie węgla powoduje odprowadzenie ciepła reakcji utleniania danej postaci węgla, przez co zapobiega bądź minimalizuje efekt lokalnego przegrzewania próbki, co z kolei ma wpływ na poprawność otrzymanych wyników. Po zaniku sygnałów z układu detektorów, bądź braku sygnałów o obecności tlenków węgla w gazach wylotowych z reaktora, w którym panowała atmosfera utleniająca przez czas nie krótszy niż 5 minut następuje zmiana atmosfery w reaktorze na atmosferę obojętną (azotu). Ponieważ badany materiał kompozytowy nie zawierał sadzy - brak więc było sygnałów o obecności tlenków węgla w gazach poreakcyjnych przepływających przez moduły detekcyjne pomimo że w reaktorze była atmosfera utleniająca więc po upływie zadanego czasu wynoszącego 5 minut rozpoczęto podgrzewanie reaktora do temperatury 500°C. Zmiana atmosfery na obojętną w reaktorze w trakcie kolejnych podgrzewań zapewnia mniejszy błąd oznaczania zawartości występujących w badanym materiale odmian węgla. Po osiągnięciu temperatury 500°C w atmosferze gazu utleniającego następuje selektywne utlenienie węgla pirolitycznego pochodzącego z rozkładu żywicy użytej do kompozytu, co zostaje wykryte przez układ detektorów CO, CO2 i zarejestrowane przez program komputerowy sterujący programem oznaczania i rejestrującym przebiegi wskazań układu detektorów CO, CO2. W momencie wykrycia obecności tlenków węgla w gazach poreakcyjnych ponownie zostaje uruchomiona stabilizacja temperaturowa badanej próbki, która również trwa do czasu zaniku sygnału przekazywanego przez detektory a ilość wydzielonego węgla pirolitycznego jest rejestrowana w układzie analogicznie jak w przypadku oznaczania węgla bezpostaciowego w postaci sadzy. Po zakończeniu oznaczania węgla pirolitycznego i zaniku sygnałów z układu detektorów o obecności tlenków węgla w gazach wylotowych z reaktora następuje zmiana atmosfery w reaktorze na atmosferę obojętną (azot) i reaktor podgrzewany jest do temperatury 540°C. Po osiągnięciu tej temperatury i zmianie atmosfery w urządzeniu na atmosferę gazu utleniającego kontynuuje się podnoszenie temperatury wewnątrz reaktora do wartości 590°C. Przy czym szybkość przyrostu temperatury nie przekracza 2°C/min. Podobnie jak w poprzednich cyklach w momencie wykrycia w gazach poreakcyjnych obecności tlenków węgla zostaje uruchomiona i utrzymywana jest stabilizacja temperaturowa, a chwilowe wartości wydzielonego węgla (z fulerenów) w postaci tlenków węgla wykryte przez układ detektorów CO, CO2 są rejestrowane przez program komputerowy sterujący procesem oznaczania. Po zaniku sygnałów z detektorów CO i CO2 świadczących o braku tlenków węgla w gazach poreakcyjnych program sterujący pracą urządzenia dokonuje zmiany temperatury, koniecznej dla utlenienia kolejnej odmiany alotropowej węgla. Ponieważ badany materiał kompozytowy nie zawierał fulerenów, po dogrzaniu reaktora do temperatury 590°C i braku sygnałów (5 minut) o obecności tlenków węgla w gazach poreakcyjnych przepływających przez moduły detekcyjne, pomimo że w reaktorze była atmosfera utleniająca, rozpoczęto podgrzewanie reaktora do temperatury >730°C zmieniając jednocześnie atmosferę w reaktorze na atmosferę obojętną (azot). Po spełnieniu obu warunków tj. obecności utleniającej atmosfery w reaktorze oraz osiągnięciu żądanej temperatury 730°C nastąpiłoby selektywne utlenienie węgla występującego w badanym kompozycie w postaci diamentu. Jeżeli

PL 209 309 B1 do produkcji kompozytu faktycznie użyto by diamentu, zostało by to wykryte przez detektory badające skład gazów poreakcyjnych. W momencie wykrycia w gazach poreakcyjnych tlenków węgla zostaje uruchomiona stabilizacja temperaturowa badanej próbki, która utrzymywana jest aż do czasu zaniku informacji (sygnału) przekazywanego przez moduły detekcyjne CO, CO₂ 11 i 12, a ilość wydzielonego węgla występującego w postaci diamentu zarejestrowana przez program komputerowy sterujący programem oznaczania i rejestrującym przebiegi wskazań układu detektorów. Po zaniku sygnałów z modułu detektorów 11 i 12, bądź braku sygnałów o obecności tlenków węgla w gazach wylotowych z reaktora, w którym panowała atmosfera utleniająca przez czas nie krótszy niż 5 minut następuje zmiana atmosfery w reaktorze na atmosferę obojętną (azotu). Ponieważ badany materiał kompozytowy nie zawierał węgla w postaci diamentu - brak więc było sygnałów o obecności tlenków węgla w gazach poreakcyjnych przepływających przez moduły detekcyjne pomimo że w reaktorze była atmosfera utleniająca więc po upływie zadanego czasu wynoszącego 5 minut rozpoczęto podgrzewanie reaktora w atmosferze azotu do temperatury 800°C. Po osiągnięciu temperatury 800°C i zmianie atmosfery w reaktorze na utleniającą nastąpiło selektywne utlenianie węgla występującego w badanym kompozycie w postaci grafitu. Ponieważ do produkcji kompozytu faktycznie użyto grafitu, to tlenki węgla zostały wykryte przez moduły detekcyjne 11 i 12 badające skład gazów poreakcyjnych. W momencie wykrycia w gazach poreakcyjnych tlenków węgla została uruchomiona stabilizacja temperaturowa badanej próbki. Stabilizacja ta utrzymywana była aż do czasu zaniku sygnału przekazywanego przez detektory CO, CO2, a ilości wydzielonego węgla występującego w postaci grafitu zarejestrowane zostały przez program komputerowy sterujący programem oznaczania. Po zaniku sygnałów z detektorów CO i CO2 świadczących o braku tlenków węgla w gazach poreakcyjnych program sterujący obniżył temperaturę w reaktorze do 700°C, umożliwiając wykonanie oznaczenia zawartości odmian alotropowych węgla pierwiastkowego i węgla pirolitycznego w kolejnej próbce materiału węglowego. Znając masę naważki analizowanego materiału i ilości poszczególnych odmian węgla utlenionego w czasie kolejnych selektywnych utlenień program komputerowy sterujący procesem analizy wyznacza w znany sposób procentową zawartość wielopostaciowych odmian alotropowych węgla występujących w kompozycie.

Powyżej został opisany pełen cykl badania kompozytu/nanokompozytu ale w przypadku, kiedy wiadomo jaką postać węgla zawiera kompozyt, to możliwe jest zastosowanie sposobu skróconego, który polega na przeprowadzeniu pirolitycznego procesu rozkładu kompozytu w temperaturze min. 700°C, a następnie na obniżeniu temperatury w atmosferze gazu obojętnego do temperatury charakterystycznej dla interesującej nas odmiany alotropowej węgla i następnie selektywnemu utlenieniu w tej temperaturze, z zachowaniem stabilizacji temperaturowej danej odmiany alotropowej węgla oraz węgla pirolitycznego. Stabilizacja temperatury utleniania każdej odmiany węgla poprzez przeponowe chłodzenie tej strefy reaktora w której zachodzi utlenianie węgla powoduje odprowadzenie ciepła reakcji utleniania danej postaci węgla, przez co zapobiega bądź minimalizuje efekt lokalnego przegrzewania próbki, co z kolei ma wpływ na poprawność otrzymanych wyników.

Claims (2)

Zastrzeżenia patentowe

1. Sposób określania zawartości wielopostaciowych odmian alotropowych węgla w kompozytach oraz węgla pirolitycznego pochodzącego z rozkładu komponentu kompozytu spełniającego rolę lepiszcza w tym kompozycie, polegający na poddaniu badanej próbki obróbce termicznej w atmosferze gazu obojętnego, a następnie w atmosferze utleniającej selektywnemu utlenianiu wydzielonego węgla i oznaczaniu składów gazów wylotowych z reaktora w trakcie kolejnych utlenień za pomocą detektorów CO i CO2, znamienny tym, że próbkę umieszcza się w reaktorze w atmosferze gazu obojętnego i podgrzewa do temperatury termicznego rozkładu kompozytu T1=700-800°C i w tej temperaturze pozostawia się na czas nie krótszy niż 4 minuty, następnie reaktor schładza się do temperatury T₂>320°C, w której utlenia się węgiel w postaci sadzy, po czym reaktor podgrzewa się do temperatury T₃>500°C, w której utlenia się węgiel pirolityczny, do temperatury T₄=540-590°C, w której utleniają się fullereny, do temperatury T5=730°C, w której utlenia się diament, do temperatury T6=800°C, w której utlenia się grafit, przy czym utleniania odbywają się w mieszaninie gazu utleniającego i rozrzedzającego, w czasie kolejnych utlenień badana próbka jest dodatkowo stabilizowana temperaturowo za pomocą podawanego przeponowo gazu chłodzącego, podgrzewanie do kolejnych temperatur utleniania prowadzone jest w atmosferze gazu obojętnego, a ilości tlenków węgla wydzielone z utleniania

PL 209 309 B1 każdej odmiany węgla są rejestrowane i na tej podstawie określa się zawartość poszczególnych odmian węgla w kompozycie.

2. Urządzenie do określania zawartości odmian alotropowych węgla w kompozytach posiadające urządzenie grzejne z umieszczonym w nim reaktorem, wewnątrz którego znajduje się podajnik z badaną próbką i wypełnienie, przy czym jeden koniec reaktora zaopatrzony jest w głowicę wlotow ą połączoną z układem gazowym oraz ze źródłem gazu obojętnego a drugi koniec reaktora zaopatrzony jest w głowicę wylotową z termoelementem oraz króćcem gazów poreakcyjnych, poprzez który gazy wylotowe są kierowane do modułu detekcyjnego a następnie do instalacji wyciągowej, znamienne tym, że posiada układ stabilizujący temperaturę badanej próbki, składający się z przyłącza gazowego doprowadzającego gaz chłodzący z jego źródła poprzez rotametr (19) do przestrzeni między grzejnikiem (1) a reaktorem (3) w strefę nad podajnikiem ceramicznym z badaną próbką (4) oraz przyłącze wylotowe gazu chłodzącego znajdujące się nad wypełnieniem (2) reaktora i połączone z atmosferą a także posiada mieszalnik statyczny (15) połączony z jednej strony poprzez regulatory masowego przepływu (16) i (17) ze źródłem gazu utleniającego i gazu rozrzedzającego a z drugiej strony z zaworem trój drożnym (9).