Nội dung được dịch bởi AI, chỉ mang tính chất tham khảo
Pyrolysis of natural rubber–cellulose composites: isoconversional kinetic analysis based on thermogravimetric data
Tóm tắt
Bất chấp sự quan tâm ngày càng tăng hiện nay đối với các composite cao su với các chất độn hữu cơ tự nhiên, vẫn thiếu phân tích động học mô tả quá trình phân hủy của các vật liệu này trong quá trình nhiệt phân. Do đó, mục tiêu chính của nghiên cứu này là phân tích động học và xác định các thông số động học chính thức cho sự phân hủy nhiệt phân của các composite NR–CEL với các hàm lượng xenlulozơ khác nhau (0, 30, 45 và 55 phr). Các đo đạc nhiệt trọng được thực hiện ở các tốc độ đốt nóng 2, 4, 6, 8, 10 và 20 °C phút–1 trong khoảng nhiệt độ từ 20–600 °C. Đầu tiên, các phương pháp không cần mô hình Friedman và KAS đã được áp dụng. Do đó, các phương pháp dựa trên mô hình và quy trình phù hợp mô hình đã được sử dụng để tìm ra mô hình động học nhiều bước tối ưu. Mô hình cuối cùng được đề xuất bao gồm hai quá trình song song, độc lập động học: A → B → C và D → E → F. Đối với mỗi bước, một bộ ba động học đã được tính toán: năng lượng kích hoạt biểu kiến, hệ số trước số mũ và các thông số động học của mô hình thực nghiệm mở rộng Prout–Tompkins. Phương pháp biểu đồ chính đã được sử dụng để xác định cơ chế phân hủy động học của từng bước riêng lẻ. Kết quả cho thấy bước A → B có hình dạng của mô hình bậc n, bước B → C chủ yếu theo mô hình khuếch tán, cơ chế của bước D → E chuyển từ mô hình động học phân cắt ngẫu nhiên sang mô hình bậc n với lượng CEL tăng lên, và bước E → F tuân theo cơ chế phân cắt chuỗi.
Từ khóa
#Composite cao su tự nhiên #phân hủy nhiệt phân #động học #xenlulozơ #liệu pháp nhiệt trọngTài liệu tham khảo
Zhou Y, Fan M, Chen L, Zhuang J. Lignocellulosic fibre mediated rubber composites: an overview. Compos Part B-Eng. 2015;76:180–91. https://doi.org/10.1016/j.compositesb.2015.02.028.
Thomas S, Parameswaranpillai J, Krishnasamy S, et al. A comprehensive review on cellulose, chitin, and starch as fillers in natural rubber biocomposites. Carbohydr Polym Techn Appl. 2021;2:100095. https://doi.org/10.1016/j.carpta.2021.100095.
Visakh P, Thomas S, Oksman K, Mathew A. Crosslinked natural rubber nanocomposites reinforced with cellulose whiskers isolated from bamboo waste: processing and mechanical/thermal properties. Compos Part A-Appl Sci Manuf. 2012;43(4):735–41. https://doi.org/10.1016/j.compositesa.2011.12.015.
Thomas M, Abraham E, Jyotishkumar P, et al. Nanocelluloses from jute fibers and their nanocomposites with natural rubber: preparation and characterization. Int J Biol Macromol. 2015;81:768–77. https://doi.org/10.1016/j.ijbiomac.2015.08.053.
Somseemee O, Sae-Oui P, Siriwong C. Reinforcement of surface-modified cellulose nanofibrils extracted from Napier grass stem in natural rubber composites. Ind Crop Prod. 2021;171:113881. https://doi.org/10.1016/j.indcrop.2021.113881.
Ratna A, Ghosh A, Mukhopadhyay S. Advances and prospects of corn husk as a sustainable material in composites and other technical applications. J Clean Prod. 2022. https://doi.org/10.1016/j.jclepro.2022.133563.
Abraham E, Deepa B, Pothan L, et al. Physicomechanical properties of nanocomposites based on cellulose nanofibre and natural rubber latex. Cellulose. 2013;20:417–27. https://doi.org/10.1007/s10570-012-9830-1.
Abraham E, Thomas M, John C, et al. Green nanocomposites of natural rubber/nanocellulose: membrane transport, rheological and thermal degradation characterisations. Ind Crop Prod. 2013;51:415–24. https://doi.org/10.1016/j.indcrop.2013.09.022.
Boonterm M, Sunyadeth S, Dedpakdee S, et al. Characterization and comparison of cellulose fiber extraction from rice straw by chemical treatment and thermal steam explosion. J Clean Prod. 2016;134:592–9. https://doi.org/10.1016/j.jclepro.2015.09.084.
Yao E, Wang Y, Yang Q, et al. Co-pyrolysis mechanism of natural rubber and cellulose based on thermogravimetry-gas chromatography and molecular dynamics simulation. Energy Fuels. 2019;33(12):12450–8. https://doi.org/10.1021/acs.energyfuels.9b02918.
Kulshrestha U, Gupta T, Kumawat P, et al. Cellulose nanofibre enabled natural rubber composites: Microstructure, curing behaviour and dynamic mechanical properties. Polym Test. 2020;90:106676. https://doi.org/10.1016/j.polymertesting.2020.106676.
Zhao D, Liu T, Xu Y, et al. Investigation of the thermal degradation kinetics of ceramifiable silicone rubber-based composite. J Therm Anal Calorim. 2023. https://doi.org/10.1007/s10973-023-12138-9.
Gözke G, Açıkalın K. Pyrolysis characteristics and kinetics of sour cherry stalk and flesh via thermogravimetric analysis using isoconversional methods. J Therm Anal Calorim. 2021;146:893–910. https://doi.org/10.1007/s10973-020-10055-9.
Asimakidou T, Chrissafis K. Thermal behavior and pyrolysis kinetics of olive stone residue. J Therm Anal Calorim. 2022;147(16):9045–54. https://doi.org/10.1007/s10973-021-11163-w.
Mumbach G, Alves J, Da Silva J, et al. Thermal investigation of plastic solid waste pyrolysis via the deconvolution technique using the asymmetric double sigmoidal function: determination of the kinetic triplet, thermodynamic parameters, thermal lifetime and pyrolytic oil composition for clean energy recovery. Energ Convers Manag. 2019;200:112031. https://doi.org/10.1016/j.enconman.2019.112031.
Vyazovkin S, Burnham A, Criado J, et al. ICTAC kinetics committee recommendations for performing kinetic computations on thermal analysis data. Thermochim Acta. 2011;520(1–2):1–19. https://doi.org/10.1016/j.tca.2011.03.034.
Chen F. Studies on the thermal degradation of cis-1,4-polyisoprene. Fuel. 2002;81(16):2071–7. https://doi.org/10.1016/S0016-2361(02)00147-3.
Seidelt S, Müller-Hagedorn M, Bockhorn H. Description of tire pyrolysis by thermal degradation behaviour of main components. J Anal Appl Pyrol. 2006;75(1):11–8. https://doi.org/10.1016/j.jaap.2005.03.002.
Lah B, Klinar D, Likozar B. Pyrolysis of natural, butadiene, styrene–butadiene rubber and tyre components: modelling kinetics and transport phenomena at different heating rates and formulations. Chem Eng Sci. 2013;87:1–13. https://doi.org/10.1016/j.ces.2012.10.003.
Danon B, Mkhize NM, van der Gryp P, Görgens J. Combined model-free and model-based devolatilisation kinetics of tyre rubbers. Thermochim Acta. 2015;601:45–53. https://doi.org/10.1016/j.tca.2014.12.003.
Perejón A, Sánchez-Jiménez PE, García-Garrido C, Pérez-Maqueda LA. Kinetic study of complex processes composed of non-independent stages: pyrolysis of natural rubber. Polymer Degrad Stabil. 2021;188:109590. https://doi.org/10.1016/j.polymdegradstab.2021.109590.
Bradbury A, Sakai Y, Shafizadeh F. A kinetic model for pyrolysis of cellulose. J Appl Polym Sci. 1979;23(11):3271–80. https://doi.org/10.1002/app.1979.070231112.
Kilzer F, Broido A. Speculations on the nature of cellulose pyrolysis. Pyrodynamics. 1965;151:151–63.
Mamleev V, Bourbigot S, Yvon J. Kinetic analysis of the thermal decomposition of cellulose: the main step of mass loss. J Anal Appl Pyrol. 2007;80(1):151–65. https://doi.org/10.1016/j.jaap.2007.01.013.
Lin Y, Cho J, Tompsett G, et al. Kinetics and mechanism of cellulose pyrolysis. J Phys Chem C. 2009;113(46):20097–107. https://doi.org/10.1021/jp906702p.
Sánchez-Jiménez PE, Pérez-Maqueda L, Perejón A, et al. An improved model for the kinetic description of the thermal degradation of cellulose. Cellulose. 2011;18:1487–98. https://doi.org/10.1007/s10570-011-9602-3.
Sánchez-Jiménez PE, Pérez-Maqueda L, Perejón A, Criado J. A new model for the kinetic analysis of thermal degradation of polymers driven by random scission. Polymer Degrad Stabil. 2010;95(5):733–9. https://doi.org/10.1016/j.polymdegradstab.2010.02.017.
Yeo J, Chin B, Tan J, Loh Y. Comparative studies on the pyrolysis of cellulose, hemicellulose, and lignin based on combined kinetics. J Energy Inst. 2019;92(1):27–37. https://doi.org/10.1016/j.joei.2017.12.003.
Yang X, Zhao Y, Li R, et al. A modified kinetic analysis method of cellulose pyrolysis based on TG–FTIR technique. Thermochim Acta. 2018;665:20–7. https://doi.org/10.1016/j.tca.2018.05.008.
Orrego-Restrepo E, Ordonez-Loza J, Chejne F. Novel methodology for evaluation of cellulose pyrolysis kinetics implementing infrared spectroscopy in situ. J Anal Appl Pyrol. 2022;166:105589. https://doi.org/10.1016/j.jaap.2022.105589.
Zong P, Jiang Y, Tian Y, et al. Pyrolysis behavior and product distributions of biomass six group components: Starch, cellulose, hemicellulose, lignin, protein and oil. Energ Convers Manag. 2020;216:112777. https://doi.org/10.1016/j.enconman.2020.112777.
Osman A, Fawzy S, Farrell C, et al. Comprehensive thermokinetic modelling and predictions of cellulose decomposition in isothermal, non-isothermal, and stepwise heating modes. J Anal Appl Pyrol. 2022;161:105427. https://doi.org/10.1016/j.jaap.2021.105427.
Vyazovkin S, Burnham A, Favergeon L, et al. ICTAC kinetics committee recommendations for analysis of multi-step kinetics. Thermochim Acta. 2020;689:178597. https://doi.org/10.1016/j.tca.2020.178597.
Koga N, Vyazovkin S, Burnham A, et al. ICTAC kinetics committee recommendations for analysis of thermal decomposition kinetics. Thermochim Acta. 2023;719:179384. https://doi.org/10.1016/j.tca.2022.179384.
Šesták J, Berggren G. Study of the kinetics of the mechanism of solid-state reactions at increasing temperatures. Thermochim Acta. 1971;3(1):1–12. https://doi.org/10.1016/0040-6031(71)85051-7.
Friedman H. Kinetics of thermal degradation of char-forming plastics from thermogravimetry. Application to a phenolic plastic. J Polym Sci Part C-Polym Symposia. 1964;6(1):183–95. https://doi.org/10.1002/polc.5070060121.
Kissinger H. Variation of peak temperature with heating rate in differential thermal analysis. J Res Natl Bur Stand. 1956. https://doi.org/10.6028/jres.057.026.
Osman H, Ismail H, Mustapha M. Effects of maleic anhydride polypropylene on tensile, water absorption, and morphological properties of recycled newspaper filled polypropylene/natural rubber composites. J Compos Mater. 2010;44(12):1477–91. https://doi.org/10.1177/0021998309359212.
Lin G, Zhang X, Liu L, et al. Study on microstructure and mechanical properties relationship of short fibers/rubber foam composites. Eur Polym J. 2004;40(8):1733–42. https://doi.org/10.1016/j.eurpolymj.2004.04.016.
Biagiotti J, Iannoni A, Lopez-Manchado M, Kenny J. Cure characteristics, mechanical properties, and morphological studies of linoleum flour-filled NBR compounds. Polym Eng Sci. 2004;44(5):909–16. https://doi.org/10.1002/pen.20082.
Liu S, Yu J, Bikane K, et al. Rubber pyrolysis: kinetic modeling and vulcanization effects. Energy. 2018;155:215–25. https://doi.org/10.1016/j.energy.2018.04.146.
Wei X, Zhong H, Yang Q, et al. Studying the mechanisms of natural rubber pyrolysis gas generation using RMD simulations and TG-FTIR experiments. Energ Convers Manag. 2019;189:143–52. https://doi.org/10.1016/j.enconman.2019.03.069.
Ramiah M. Thermogravimetric and differential thermal analysis of cellulose, hemicellulose, and lignin. J Appl Polym Sci. 1970;14:1323–37.
Fan H, Gu J, Wang Y, et al. Kinetics modeling of co-pyrolytic decomposition of binary system of cellulose, xylan and lignin. J Energy Inst. 2022;102:278–88. https://doi.org/10.1016/j.joei.2022.03.012.
Hu M, Chen Z, Wang S, et al. Thermogravimetric kinetics of lignocellulosic biomass slow pyrolysis using distributed activation energy model, Fraser-Suzuki deconvolution, and iso-conversional method. Energ Convers Manag. 2016;118:1–11. https://doi.org/10.1016/j.enconman.2016.03.058.
Tamura S, Murakami K, Kuwazoe H. Isothermal degradation of cis-1,4-polyisoprene vulcanizates. J Appl Polym Sci. 1983;28(11):3467–84. https://doi.org/10.1002/app.1983.070281112.
Yu P, He H, Dufresne A. A novel interpenetrating polymer network of natural rubber/regenerated cellulose made by simple co-precipitation. Mater Lett. 2017;205:202–5. https://doi.org/10.1016/j.matlet.2017.06.088.
Pace R, Datyner A. Statistical mechanical model for diffusion of simple penetrants in polymers. II. Applications—nonvinyl polymers. J Polym Sci: Polym Phys Ed. 1979;17(3):453–64. https://doi.org/10.1002/pol.1979.180170310.