用热分析法研究竹材热解特性影响因素

第25卷第2期竹子研究汇刊Vol 25. No. 22006年5月JOURNAL OF BAMBOO RESEARCHMay,2006用热分析法研究竹材热解特性影响因素李文珠1何拥军2陈普(1.浙江林学院工程学院,浙江临安311300;2浙江省义乌市大陈镇农业服务中心浙江义乌322011;福建省南平市技术監督局,福建南平35摘要运用热重/差示扫描(TG/DSC)同步热分析法,通过实验分析了不同氮气流量、不同升温速度、不同竹龄等因素对毛竹材热解过程的影响。结果表明:(1)氮气流量的变化对差热扫描量热曲线没有明显影响,随誊氮气流量的增大,在热解过程中失重增大,且最终剩余固体产物量呈递减的趋势。(2)升速度变化对热重曲线没有明显影响,对DSC曲线的影响较明显。随着升温速度的增大,在整个热解过程中吸放热更明显。(3)在相同的试验条件下,不同竹龄的竹材的热解过程中热量吸放和失重变化温度点存在着一定的差值键词同步热分析;毛竹;热解;影响因素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热分析是在程序控制温度的条件下,测量各类物质在很宽的温度范围内进行定性、定量物质的物理性质与温度关系的一种技术,是对表征的极其有效的手段(2根据测量物质的物理性质的不同,热分析方法的种类是多种多样收稿日期:2006-03-12的。如:差热分析(DTA)热重分析(TG)、差示基金项目:浙江省重点招标资助项目(2003c12016)作者简介李文珠(1974-),女,浙江龙游人实验师,主扫掎C扭姚托TMA、DMA要从事木材科学与技术研究,E- mail.lwz@ife.edu,等中国煤化工是热重CNMHG究汇刊第25卷法、差热分析和差示扫描量热法。随着新的学科线以消除仪器自身的浮力对试验结果的影响,和材料工业的不断发展,热分析所研究的物质试验中对同种样品进行一次重复测试,以验证由无机物逐步扩展到有机物高聚物等。日本实验可重复性。学者阪田祐作等用流通式热天平在N2气流下2.2.1不同氮气流量条件下竹材热分析选测定了苦竹材的热重曲线43。陈纪忠等利用热取4年生的毛竹,设定起始温度为20℃,升温速重分析仪进行了竹材热解动力学的研究但度20℃·min-1,终点温度为600℃,改变吹扫氮由于热分析是一种动态温度分析技术,有很多气流量(10mL·min-1、20mL·min-、30mL因素会影响它的测试结果,试验条件等因素的min-1、40mL·min-1),做TG/DSC曲线,进变化对竹材热重/差示扫描分析结果的影响方行热分析对比。面的研究未见报道。2.2.2不同升温速度条件下竹材热分析选本文运用同步热分析仪,通过对不同氮气取4年生的毛竹,设定起始温度为20℃,终点温流速、不同升温速度和不同竹龄的毛竹进行热度为600℃C,氮气流量为25mL·min-1,改变升分析测试,分析总结了各因素对竹材热解过程温速度(10℃c·min-1、20℃·min-1、30℃中的热重和差示扫描量热变化的影响,对正确min-1、40℃·min-1),做TG/DSC曲线,进行进行测试,提高测试的精度具有实际的参考意热分析对比。义,也为进一步研究竹材热解理论提供参考。2.2.3不同竹龄竹材热分析本试验选取不同年龄的毛竹材(1年生、2年生、3年生、4年1材料与设备生、5年生、6年生),试验时设置起点温度为20℃,热解炉升温速率为20℃·min-,吹扫氮1.1试验材料气流量为25mL·min-1,终点温度为1000℃。毛竹( Phyllostachys heterocycla var.同时得到热重(TG)曲线,微分热重曲线pubescen)取自浙江临安板桥林场,竹龄分别为(DTG)和差示扫描(DSC)曲线。1、2、3、4、5、6a。1.2试验设备3结果与分析STA409PC同步热分析仪,德国耐弛公司;电子天平,精确到0.00001g,瑞士梅特勒3.1不同氮气流量条件下竹材热分析公司;101-1型电热鼓风干燥箱;玻璃干燥器。不同氮气流量条件下竹材同步热分析测试结果见下图1。2试验方法2.1试样制取在不同竹龄竹材的基部用手工锯锯取竹粉若干,用100目的标准筛分选,在电热鼓风干燥箱中干燥3~5h,取出置于玻璃干燥器中,冷却后用塑料袋封存待用2.2试验方法和条件采用德国耐弛STA409-PC同步热分析仪1不同氮气流量下竹材热解曲线对比进行热分析测试。用十万分之一的电子天平称Fig 1 Pyrolysis curves of bamboo under取约5mg的竹粉,装人TG/DSC专用的Al2Odifferent nitrogen fle钳锅中,然后放入炉体中的样品支架上以高纯(1-10,2-20,3-30,4-40;单位:mL·min-1)氮气为气氛,并设定热天平保护气氮气的流量为15mL·min-.在试验之前用空坩锅先做基的增中国煤化工着氯气流量终剩余固CNMHG第2期李文珠等用热分析法研究竹材热解特性影响因素体产物量呈递减的趋势。这说明炉内通人氮气较小。升温速度20℃·min-时,吸放热值有所的流速直接影响试样热解时产生的气体产物的增大升温速度继续增大,第二个吸热峰逐渐变逸出与扩散。气体流量过低则不能使气体产物小或消失,放热峰表现明显。充分逸出,从而影响试验结果;但气体流量过大因此,对比四种升温速度下得到的TG曲则会使仪器的噪声增加。线和DSC曲线,选择20℃·min-1的升温速度当氮气流量为10mL·min-时,吸放热值得到的曲线的吸收峰最明显,峰形尖锐,分辨率较大,随着氮气流量的增大,热解过程中吸放热最好,且TG曲线中固体产物量最大。值减小这说明随着氮气流量的越大,炉内的气3.3不同竹龄竹材热分析流场流速越大,样品放出的热量被带走越多,在相同的试验条件下对不同竹龄毛竹材进DSC曲线上表现为吸放热峰较平缓。行同步热分析测试,结果见下图3。从图中可以看出,20mL·min-1和30mLDsc/(ntmin-1的气体流量时热重曲线比较相近,因此,一般设定氮气流量在20~30mL·min-2之间比较适宜。3.2不同升温速度条件下竹材热分析不同升温速度条件下竹材同步热分析测试3结果见下图2。图3不同竹龄竹材热解曲线图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)由图3中的热重曲线(TG)和差示扫描量热(DSC)曲线可知:(1)三种竹龄的毛竹材热解过程可分为:室图2不同升温速度条件下竹材热解曲线对比温到120℃为干燥过程,失重主要是竹材中水分Fig. 2 Pyrolysis curres of bamboo under different的挥发,同时DSC曲线有一个吸热峰;120~temperature raise pace200℃为恒重过程,开始放热,且曲线发展缓慢,(1-10,2-20,3-30,4-40;单位;c·min-1)没有失重变化;200~400℃为热分解主要过程,从上图可以看出,随着升温速度的提高,即失重明显,出现一个明显的吸热峰;400℃之后从10℃·mn到40c·min-2,样品的TG和为炭化过程,失重平缓并趋于恒定,800℃左右DsC曲线有明显右移趋势。对比TG曲线可见,又有一个大的吸热峰这可能是竹炭内部构造升温越快,加热炉内气流温度在低温段停留时变化引起的。间越短,把各种反应直接推向高温区,使反应温(2)对比不同竹龄毛竹材热解的热重曲线度滞后,在高温区由于起始能量大,反应剧烈,(TG),在200℃之前失重情况基本一致,这说明缩短了热解所需的时间。但升温速度过大会引同样的试验条件下材料的含水率相同;200℃之起反应过于剧烈,从而影响结果的分析后热解速度有所不同,随竹龄的增加失重值和由于升温速度直接影响炉壁与试样、外层最大失重温度增大;随着温度继续上升最终得试样与内部试样间的传热和温度梯度所以升到的固体产物的量略有不同,随竹龄增加略有温速度对DsC曲线的影响较明显。升温速度下降,5a后基本稳定。这说明不同竹龄竹材的10C·min-2条件下,吸放热值最小,曲线最平有机缓,有两个浅吸收峰,整个热解过程放热值相对量略H中国煤化工的增长其含CNMHG份含量相对34竹子研究汇刊第25卷稳定。响,对DSC曲线的影响较明显。随着升温速度(3)对比不同竹龄毛竹材热解的差示扫描的增大,在整个热解过程中吸放热更明显量热曲线(DSC),随着竹龄的增加,DSC曲线(3)在相同的试验条件下,不同竹龄的竹材上的吸热峰面积明显增大,即热解吸收的热量的热解过程中热量吸放和失重变化温度点存在越大,1年生到3年生的竹材相近,4年生以上着一定的差值。的竹材相近。参考文献结论[]李余增热分析[M].北京:清华大学出版社,1987.2[2]黄一石仪器分析DM]北京:化学工业出版社,2002通过以上试验对比了不同氮气流量不同[31胡小安,营春平等,热分析的现状及进限[1楚雄师范学院学报,2005,20(3):37~40升温速度和不同竹龄毛竹材的热解曲线,结果[幻胡福昌,陈顺伟,日本竹材热解研究的现状[林业科技表明:(1)氮气流量的变化对差热扫描量热曲线没有明显影响,随着氮气流量的增大,在热解过5]阪田祐作难波竹己等竹活性炭O制造上子分子石程中失重增大,且最终剩余固体产物量呈递减v吸着特性:十氵彀活性炭上比较, Bamboo Journal,的趋势。1993,(11):71~77(2)升温速度变化对热重曲线没有明显影陈纪忠等.竹材热解动力学的研究[门]林产化学与工业2005,25(2):11CH4-CGGGGGGGGGGG6666666G6CCGCGCCEEEEE∈ee∈∈∈ HG-6G6G6G∈∈