Одним из существенных этапов исследования теплозащитных материалов является изучение их термической деструкции в процессе интенсивного нагрева, позволяющее выявить степень прочности межмолекулярных связей, влияние времени, температуры, давления и других параметров на скорость выделения газа, состав продуктов термодеструкции и т. д. Знание кинетики реакций, качественных и количественных характеристик процесса разложения помогает объяснить поведение материалов в условиях воздействия высоких температур и интенсивных тепловых потоков.
Одним из основных методов исследований процесса термического разложения полимерных материалов является термогравиметрический анализ, который начал использоваться еще в начале XX в. Суть анализа состоит в регистрации изменения массы определенной порции материала, подвергающейся нагреву в заданных условиях. Получаемая в термогравиметрическом эксперименте кривая изменения массы образца в зависимости от температуры и (или) времени дает возможность не только оценить термостойкость материала и установить температуру окончания процесса термического разложения, но и определить интенсивность разложения в различных температурных интервалах, а также путем соответствующей математической обработки вычислить эффективные значения кинетических параметров процесса разложения материала теплозащитного покрытия.
Существуют два вида термогравиметрического анализа: динамический и изотермический. При проведении динамического термогравиметрического анализа регистрируется изменение массы исследуемого образца как функции температуры и времени при непрерывном нагревании его с определенной скоростью. Изотермический термогравиметрический анализ предусматривает регистрацию изменения массы образца как функцию времени при постоянной температуре, превышающей температуру термической прочности материала.
Как уже отмечалось ранее, процесс термодеструкции часто складывается из нескольких реакций. При этом термогравиметрические кривые могут иметь сложный вид, в результате кинетический анализ таких кривых будет затруднен или даже невозможен. В этом случае приходят на помощь данные, полученные с помощью других методов анализа, таких как дифференциально-термический, хроматографический, масс-спектрометрический, инфракрасный, рентгеноскопический и т. д.
При проведении термогравиметрического анализа следует иметь в виду, что уравнение можно использовать только при условии, что теплопроводность и диффузия не лимитируют процесс термодеструкции. Этого можно достигнуть, применяя очень маленькие навески в виде тонких слоев измельченного материала, которые быстро и равномерно прогреваются. Диффузия образующихся внутри образца летучих продуктов имеет большое значение еще потому, что при их замедленном удалении из зоны пиролиза могут иметь место вторичные реакции летучих продуктов с исходным веществом и твердым остатком, а также реакции в газовой фазе, что может сильно затруднить расшифровку полученных термограмм. В связи с этим обычно рекомендуется проводить эксперименты по термической деструкции полимеров в вакууме или в атмосфере инертного газа.
11 июля 2012
