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熱重紅外聯用對無機材料的熱解分析

港東科技

2022.3.08

? ? ? 熱分析與紅外光譜聯用技術，不僅可以得到體系受熱過程中產生的質量以及熱量變化的信息，還可以對熱分解過程中逸出的氣體進行同步檢測和分析，即可研究熱分解過程中熱分解氣體組分與溫度的關系。港東科技的熱重-傅里葉紅外聯用系統，將TG的定量分析和FTIR的定性分析能力結合在一起，成為對無機材料重要的分析手段之一。

?一、測試條件

(1)?測試樣品置于熱重分析儀樣品池中，傅里葉變換紅外光譜儀與熱重分析儀以聯用傳輸管連接測試

(2)?氣氛為動態氬氣、氮氣或空氣（流量預設如50mL/min），IR聯用傳輸管及其接口部位保持一定的溫度（如180—230℃）

(3)?樣品于樣品池中以恒定溫度步長（如10℃/min等）從室溫（一般為20℃）程序升溫，加熱溫度范圍可設定為20～900℃。載氣將樣品的分解氣體產物攜帶并通過紅外檢測器

二、對無機材料阻燃劑的研究

1.?水滑石

水滑石是一種多功能新型高效、無毒、低煙的聚烯烴熱穩定劑及阻燃劑，其結構式為[Mg₆Al₂(OH)₁₆CO₃]·4H₂O，是典型的多層結構。利用熱重紅外聯用系統（TG-FTIR）對其阻燃及熱穩定機理進行研究，結果如下：

?圖1 ?TG曲線及其一階導數曲線

?從圖1中可以看出，水滑石在N₂氣氛中的熱分解過程分為三步，第一步其熱失重溫度范圍主要發生在160—270℃，這個范圍內在230℃（20min）左右時，熱降解速率達到最大；第二步其熱失重溫度范圍主要發生在270—370℃，這個范圍內在320℃（29min）左右時，其熱降解速率達到最大；第三步其熱失重溫度范圍主要發生在370—560℃，這個范圍內在430℃（40min）左右時，其熱降解速率達到最大，借助FTIR可以對其熱解過程中產生的氣體進行研究。

圖2 不同溫度時水滑石的熱降解氣相產物的FTIR譜圖

? ? ? ?由圖2可見，前兩步逸出氣均為水（3600cm^-1和1500cm^-1附近的兩組特征峰），第一步（曲線1）失去的層間的結晶水，約占體系的15%；第二步（曲線2）失去的是結構水，約占體系的9%，此時由于也開始分解，在2400cm^-1附近開始出現CO₂的吸收峰；第三步（曲線3）的分解反應以釋放CO₂為主，約占20%。

綜上所述，測試結果發現水滑石因受熱分解生成的水在蒸發時需吸收大量熱量，降低了聚合物的表面溫度，釋放出的CO₂氣體和水蒸氣的同時，還能稀釋可燃氣體的濃度，減弱火勢，因此可起到氣相阻燃作用。最終的熱分解殘余物氧化鎂和氧化鋁覆蓋于聚合物表面，既能形成隔熱層，又能隔離空氣中的氧氣，起到了凝聚相阻燃作用。

?2.?氫氧化鋁

氫氧化鋁是一種最常見常見的阻燃填充劑，由于無毒、價廉，燃燒時不產生有毒和腐蝕性氣體，且具有阻燃、抑煙的作用，已被廣泛應用于高填充塑料材料中。利用熱重紅外聯用系統（TG-FTIR）對其阻燃及熱穩定機理進行研究，結果如下：

圖3?TG曲線及其一階導數曲線

? ? ? 從圖3中可以看出，氫氧化鋁在N₂氣氛中的熱分解過程只有一個失重區間，其熱失重溫度范圍主要發生在220—350℃，在290℃（26min）左右時，其熱降解速率達到最大，在這區間失重約30%，這是因為氫氧化鋁作為阻燃劑，在高溫下能分解出化學結合水（理論含量為34.6%），借助FTIR可以證明這部分氣體的成分。

圖4?26min時氫氧化鋁的熱降解氣相產物的FTIR譜圖

? ? ??從圖4可以看出，1500cm^-1和3500cm^-1附近為H₂O的吸收峰，2362.44cm^-1為CO₂的吸收峰，這證明氫氧化鋁在高溫下幾乎只產生二氧化碳和水。此脫水分解反應為吸熱反應，可延緩高聚物的熱分解速度，減慢或抑制高聚物的燃燒，起到抑煙作用。另外，大量水汽的產生能稀釋可燃物的濃度，降低可燃氣對燃燒的貢獻，使放熱量和生煙量減少，也有助于中斷燃燒。

氫氧化鋁作為阻燃劑，在高溫下能分解出化學結合水。因該脫水分解反應為吸熱反應,可延緩高聚物的熱分解速度、減慢或抑制高聚物的燃燒，起到抑煙作用。據氫氧化鋁熱失重時逸出水蒸氣的紅外譜圖得知其中30%的結合水在226～336?℃迅速失去，而剩余的約5%,則在之后較高的溫度下才慢慢脫掉。

三、對其他無機材料的研究

1.?煤

應用于煤分析中，把煤制成分析煤樣，取一定的煤樣用模擬空氣氣氛(N₂流量為80L/min，O₂流量為20?L/min)進行燃燒。燃燒生成氣體由接口進入紅外進行在線檢測。由熱重曲線(TG)和差熱掃描曲線(DSC)對煤進行定性分析。由紅外曲線確定其釋放物質的種類和數量；同時根據不同升溫速度條件下煤粉的熱重損失曲線確定煤粉的反應活化能曲線。利用紅外光譜與熱重聯用可以在線檢測煤燃燒釋放物質的種類和數量，在實際工業應用上可以為控制污染物的排放提供依據。采用TG-DSC-FTIR技術來分析煤的燃燒特性，可以非常經濟、快速地確定煤粉的著火溫度、煤粉的燃燒活化能以及煤粉燃燒不同階段釋放物質的種類和數量，從而為工業生產和污染防治提供初步的參考和依據。??

? ??2.?二氧化鈦

? ? ?通過熱分析、紅外聯用和X射線衍射分析不同煅燒溫度下的納米摻鐵二氧化鈦樣品，可對sol-gel方法制備的純二氧化鈦和摻鐵二氧化鈦干凝膠的熱分解和晶化過程進行研究。結果表明，干凝膠有較為明顯的兩個階段的熱分解。在實驗條件下得到的二氧化鈦干凝膠粉為無定形，無定形二氧化鈦加熱晶化過程是一個持續的過程，沒有明顯的晶化溫度。?

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