熱重分析及其在高分子材料方面的應用熱重分析方法在高分子材料領域的應用[摘要]熱分析是研究物質的物理化學性質隨溫度變化的一類技術，隨著計算機在線分析和反饋控制技術的發展及多種手段聯用技術的發展，熱分析技術也得到了顯著的發展。熱分析是高分子的常規表征手段，可用于表征結構相變，分析殘余單體和溶劑含量，添加劑的檢測，熱降解的研究；同時被用于產品質量的檢測，生產過程的優化及考察外因對高分子性質的影響等。熱重法定量性強，能準確地測量物質的質量變化及變化的速率。根據這一特點，可以說，只要物質受熱時發生質量的變化，都可以用熱重法來研究。我們可以看出，這些物理變化和化學變化都是存在著質量變化的，如升華、汽化、吸附、解吸、吸收和氣固反應等。熱重法測定的結果與實驗條件有關，為了得到準確性和重復性好的熱重曲線，我們有必要對各種影響因素進行仔細分析。影響熱重測試結果的因素，基本上可以分為三類：儀器因素、實驗條件因素和樣品因素。[關鍵詞]熱重分析法；質譜；聯用技術根據熱分析協會(ICTA)的歸納分類，目前熱分析法共分為9類17種，其中主要和常用的熱分析方法是熱重法(Thermogravimetry，TG)，差熱分析法(DifferentialThermalAnalysis，DTA)，差示掃描熱量法(DifferentialScanningCalorimetry，DSC)。熱重法是在程序控溫下，測量物質的質量與溫度的關系，通常熱重法分為非等溫熱重法和等溫熱重法。它具有操作簡便、準確度高、靈敏快速以及試樣微量化等優點。但熱重分析法無法對體系在受熱過程中逸出的揮發性組分加以檢測，這嚴重阻礙了熱分析技術的應用與發展。因此，將TG法與其它先進的檢測系統聯用，如TG/MS、TG/FTIR等，是現代熱分析儀器的一個發展趨勢。1熱分析技術發展簡史熱分析方法是儀器分析方法之一，它與紫外分光光度法、紅外光譜分析法、原子吸收光譜法、核磁共振波譜法、電子能譜分析法、掃描電子顯微鏡法、質譜分析法和色譜分析法等相互并列和互為補充的一種儀器分析方法。熱分析技術是在程序溫度(指等速升溫、等速降溫、恒溫或步級升溫等)控制下測量物質的物理性質隨溫度變化，用于研究物質在某一特定溫度時所發生的熱學、力學、聲學、光學、電學、磁學等物理參數的變化。由此進一步研究物質的結構和性能之間的關系；研究反應規律；制訂工藝條件等。最早發現的一種熱分析現象是熱失重，由英國人Edgwood在1786年研究陶瓷粘土時首先3熱重法在高分子材料領域的應用熱重分析儀主要適用于研究物質的相變、分解、化合、脫水、吸附、解析、熔化、凝固、升華、蒸發等現象及對物質作鑒別分析、組分分析、熱參數測定和動力學參數測定等。它已應用在：(1)無機物、有機物及聚合物的熱分解，如鄧娜、張于峰、趙薇等[11]利用差熱熱重分析儀，在氮氣氣氛下進行熱重實驗，探討了二者熱失重行為和機制，分析了反應過程中熱量變化及熱解剩余物性狀，建立了反應動力學模型；(2)礦物質的煅燒和冶煉，用熱重分析法采用不同升溫速率研究了六種煤樣的TG，DTG，DTA及T曲線，用基辛格法計算得到不同煤燃燒反應的活化能，研究了同生礦物和后生礦物對煤著火和燃燒的不同影響；(3)煤、石油和木材的熱解過程，熱重分析法兩種手段對去灰煤樣、酒精和蒸餾水洗靜毗啶溶脹煤樣和NMP二次溶脹煤樣進行化學結構與熱解性質的分析，表征煤溶脹前后結構與熱解反應性質的變化情況，定性地認識煤的溶脹反應過程；(4)液體的蒸餾和氣化，將熱重分析(TGA)用于正十六烷、正十七烷和正十八烷等3個正構烷烴的蒸氣壓測定，分別采用常數法和比較法計算蒸氣壓，結果表明，只要選擇合適的參考物質，TGA可以成功地應用于未知液體物質蒸氣壓的測定；(5)爆炸材料的研究；(6)發展新化合物，利用硝酸氧化聚丙烯腈基半碳化纖維制備了一種新型的弱酸性陽離子交換纖維，他們利用熱重分析等手段表征了纖維表面的氧化性基團的含量、表面化學結構和熱穩定性等性能；(7)吸附和解析，利用紅外光譜、熱重分析等手段表征了該螯合纖維的結構，研究了纖維對金屬離子的吸附性能，采用TGA熱重分析儀考察了溫度、CO2濃度、升溫速率及分解溫度等操作條件和粒徑對吸附劑吸附率的影響；(8)表面積的測定；(9)氧化穩定性和還原穩定性的研究；(10)反應機制的研究等諸多方面均得到廣泛的應用。此外，熱重分析能夠對高分子材料進行熱分解過程分析和組分的定量分析。如陳棟華，劉景民等用熱重分析技術對微懸浮法氯乙烯－醋酸乙烯酯共聚樹脂的熱降解反應進行了研究[8]；高亞萍[9]利用熱重分析技術研究了阻燃電纜絕緣材料聚氯乙烯的熱解過程。她對樣品在不同升溫速率、不同氣氛下的熱解行為進行了實驗研究：結果發現，升溫速率從5℃/min增加到15℃/min時，樣品的失重率從58.987%增加到59.519%，初始分解溫度從320.08℃增加到337.09℃；與N2氣氛相比，空氣氣氛下第一階段的熱解較滯后，且熱解過程溫度跨度較大，熱解過程比較復雜，失重率更大；隨著氧體積分數的增加，熱解進程加快，相應微分熱重曲線上的失重峰均有所提前且峰高增大，對應的殘余量也減小。熱重分析可以準確地分析出高分子材料中填料的含量。根據填料的物理化學特性，可以判斷出填料的種類。一般情況下，高分子材料在500℃左右基本全部分解，因此對于600~800℃之間的失重，可以判斷為碳酸鹽的分解，失重量為放出的二氧化碳，可以計算出碳酸鹽的含量。剩余量即為熱穩定填料的含量，如：玻纖、鈦白粉、鋅鋇白等的含量。對于高分子材料中填料種類的判斷，也可以通過熱重法與紅外光譜相結合。熱重分析只能得出填料的含量，不能分析出填料的種類，將熱重分析殘渣進行紅外分析，便可判斷出填料的種類。趙軍[10]采用熱重分析對高分子材料中碳酸鈣進行了定量研究，發現利用熱重分析可準確定出高分子材料中碳酸鈣的含量，同時還可測出聚合物，揮發物的含量，熱重分析法樣品用量小，靈敏度高，所需時間短。由于熱重分析法無法對體系在受熱過程中逸出的揮發性組分加以檢測，這嚴重阻礙了熱分析技術的應用與發展。因此，將TG法與其它先進的檢測系統聯用，如TG/MS、TG/FTIR等，是現代熱分析儀器的一個發展趨勢[2-3]。在1963年，Langer和Gohlke首先利用飛行時間質譜儀的真空室對BeSO4·4H2O、CaSO4·2H2O和CuSO4·5H2O等樣品進行線性程序加熱，在設定的時間間隔內，測定相應分解產物的質譜[5]，質譜具有靈敏度高，響應時間短的突出優點，在確定分子式方面具有獨特的優勢，2007年王昶等人使用美國TA公司的Q50熱重分析儀對5種植物類木材物質進行了熱解的動力學研究，樣品粒徑為0.075～0.100mm，分別調查3種不同升溫速率下熱解溫度對熱解過程的影響，通過對熱重分析(TG)、差分熱重分析(DTG)曲線的分析，建立了相應的反應動力學模型，得到了不同木材的動力學方程中的表觀活化能和頻率因子，為熱解過程的工業化設計提供了基礎數據[7]。因此聯用技術的研究和應用得到了長足的發展。國內外許多科技工作者用TG—MS聯用技術開展了混合物共熱解方面的研究，這些方面的研究為人類生活垃圾的處理和再利用開辟了新的途徑。4結論熱分析是高分子的常規表征手段可用于表征結構相變，分析殘余單體和溶劑含量，添加劑的檢測，熱降解的研究；同時被用于產品質量的檢測，生產過程的優化及考察外因對高分子性質的影響等。綜述最近幾年的文獻，可以發現熱分析與質譜聯用主要可以應用于研究物質的結構和組成；推測反應機理；進行動力學分析；研究反應轉化過程；定性分析產物等。預計在今后的10～20年中，TG—MS聯用技術將會有更大的發展。參考文獻：[1]陳鏡泓，李傳儒．熱分析及其應用[M]．北京：科學出版社，1985：1-2．[2]神戶博太郎．熱分析[M]．北京：化學工業出版社，1979．[3]蔡正千．熱分析[M]．北京：高等教育出版社，1993．[4]朱良漪．分析儀器手冊[M]．北京：化學工業出版社，2000．[5]LangerHG，GoklkeRS．Ana.lChem.，1963，35：1302．[6]陸昌偉，奚同庚．熱分析質譜法的發展歷史沿革、現狀和展望[J]．上海計量測試，2002，29(2)：8-11．[7]王昶等．植物類生物質熱解特性及動力學研究[J]．天津科技大學學報，2007，22(1)：8-12．[8]陳棟華，劉景民．微懸浮法氯乙烯-醋酸乙烯酯共聚樹脂的熱降解反應動力學研究[J]．化學研究與應用，2000，