Analisi Immediata

L’analisi immediata o proximate analysis consiste nel determinare il contenuto di umidità (U), la frazione volatile (VM), il carbonio fisso (FC) e le ceneri (Ash) del campione. L’umidità determinata con questa prova rappresenta tipicamente acqua fisicamente legata. Umi- dità e ceneri, costituiscono la parte non combustibile; sostanze volatili e carbonio fisso rappresentano la frazione combustibile presente nel materiale.

Secondo i metodi di prova comunemente utilizzati, il contenuto di sostanze volatili si determina riscaldando il campione in atmosfera inerte fino ad una temperatura massima generalmente compresa tra 800 e 950°C, in condizioni normalizzate. Le sostanze volatili sono costituite dalla porzione di campione, esclusa l’umidità, che si sviluppa sotto forma gassosa. Il materiale rimanente, escluse le ceneri, è considerato carbonio fisso.

La prova di laboratorio consente di differenziare la frazione di combustibile che brucia sotto forma gassosa (sostanze volatili) da quella che brucia sotto forma solida (carbonio fisso). In termini quantitativi, i contenuti di sostanze volatili e di carbonio fisso sono fortemente influenzati dalla temperatura e dalle condizioni di prova adottate dal metodo utilizzato che va dunque esplicitato.

Semplificando il processo esso si articola attraverso tre fasi distinte: 1. Essiccamento;

2. Devolatilizzazione in atmosfera inerte (N2);

3. Ossidazione del residuo solido della devolatilizzazione (char) in atmosfera ossidante (O2).

L’analisi immediata può essere effettuata mediante analisi termogravimetrica. La Termo- gravimetria (TG) o Analisi Termogravimetrica (TGA) consente di valutare la perdita in peso di un materiale sottoposto ad un programma controllato di temperatura. È possibile controllare sia il profilo termico sia l’atmosfera cui è soggetto il materiale. L’impiego di tale tecnica permette la valutazione degli intervalli di temperatura in cui il campione in esame degrada, dell’entità della formazione di prodotti volatili e residuo solido.

CAPITOLO 4. MATERIALI, METODI E STRUMENTI Il principale vantaggio dell’utilizzo di questa tecnica è legato alle quantità assai limitate di campione necessarie per l’effettuazione delle prove sperimentali (dell’ordine dei pochi mg).

Strumentazione

L’apparecchiatura utilizzata per l’analisi termogravimetrica è la termobilancia TA-Q500, mostrata in figura 4.2a. L’analizzatore è costituito da un corpo centrale, da uno scambia- tore esterno aria-acqua (non visibile in figura) per il raffreddamento della fornace e da un computer che permette il controllo dell’apparecchiatura, la registrazione e l’analisi dei dati.

(a) TA Instruments TGA Q500. (b) Direzione dei flussi nell’analisi termogravimetrica.

Il modulo centrale comprende la fornace, il sistema di flussaggio di gas e la micro- bilancia; esso realizza il controllo della temperatura della fornace in modo da imporre al campione il profilo termico desiderato, acquisisce e registra i dati delle varie prove e li trasmette al computer per le successive elaborazioni. Le informazioni che si rendono disponibili sono: tempo, temperatura, massa del campione e velocità di perdita in peso.

La figura 4.2b mostra lo schema della fornace; il campione è posizionato su un por- tacampione che è alloggiato su un braccio della bilancia al centro della fornace. La mi- crobilancia è posizionata al di sopra della fornace stessa. La fornace è flussata da un gas (“furnace purge gas”) che consente il condizionamento dell’atmosfera intorno al campione

e l’allontanamento dei prodotti di degradazione, mentre un secondo flusso di gas (“ba- lance purge gas”) viene inviato alla bilancia e da questa passa nella fornace (figura 4.2b). Questo secondo flusso di gas serve ad impedire o quanto meno a limitare la diffusione dei prodotti di decomposizione del campione verso la microbilancia.

Il controllo del profilo di temperatura del campione è effettuato mediante una termo- coppia situata in prossimità del campione, che è utilizzata per valutarne la temperatura e controllare il set-point termico della fornace. L’analizzatore necessita di una calibra- zione periodica del peso e della temperatura. Quest’ultima è basata sul punto di Curie (temperatura a cui si ha una transizione magnetica, ovvero una perdita delle proprietà magnetiche del materiale) di standard ad elevata purezza a temperatura di transizione nota. La massima temperatura consentita dal sistema è pari a 1000°C, mentre la velocità di riscaldamento può variare da 0 a 100°C/min. La risoluzione della microbilancia è 0.1µg. A seconda del programma termico impostato è possibile effettuare diverse prove sia isoterme sia in scansione variando la velocità di riscaldamento. L’atmosfera in cui vengono condotte le prove può essere scelta tra diverse possibilità: azoto, aria, miscele a diverso contenuto di ossigeno o anidride carbonica, ecc. . .

È possibile inoltre cambiare il gas di flussaggio durante lo svolgimento della prova, effettuando, ad esempio, la prima parte della prova in atmosfera inerte e la successiva in ambiente ossidante. La portata del gas di flussaggio può variare da 0 a 400 ml/min; in tutte le prove effettuate il flusso complessivo di gas è stato mantenuto costante, pari ad un valore di 100 ml/min.

Il campione, che può essere sia solido che liquido, viene posto in appositi crogioli di allumina, accuratamente puliti, posizionati sul piattello della termobilancia, il quale andrà all’interno della fornace. La quantità di campione comunemente impiegata è di circa 10-15 mg.

I dati che si ottengono possono, poi, essere analizzati con l’ausilio dell’apposito software “Universal Analysis 2000”.

La procedura seguita per l’esecuzione delle prove in termobilancia è stata la seguente:

1. Impostazione del programma termico al processore;

CAPITOLO 4. MATERIALI, METODI E STRUMENTI 3. Preparazione del campione avendo cura di ottenere campioni di massa simile (circa

10-15 mg) per evitare possibili effetti legati alla differenza di massa;

4. Posizionamento del campione sul piattello e caricamento nella fornace; 5. Start della prova.

Il programma termico utilizzato in questo lavoro prevede una parte iniziale di riscaldamen- to del campione da temperatura ambiente fino a 105°C ed un’isoterma di 10 minuti a tale temperatura, in modo da garantire la perdita totale dell’umidità contenuta nel campione. Il programma prosegue con il successivo riscaldamento del campione in atmosfera inerte fino a raggiungere i 900°C, che consente di completare la devolatilizzazione del campione. Una volta raggiunta tale temperatura, il flusso del gas passa ad aria , per ottenere una fase finale di ossidazione del char prodotto, tramite un’isoterma di 10 minuti in atmosfera di aria, che permettere di valutare il quantitativo di ceneri contenute nei campioni.