一、熱重分析的核心原理
基本原理：在程序控溫（升溫/恒溫）環(huán)境下，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)樣品質(zhì)量隨溫度或時(shí)間的變化，通過(guò)失重曲線解析材料組成。
關(guān)鍵參數(shù)：
分解溫度（T<sub>d</sub>）：材料開始顯著失重的溫度。
殘?zhí)柯剩–har Yield）：高溫段（如800℃）殘留物質(zhì)量占比。
失重速率（DTG曲線）：質(zhì)量變化速率峰值對(duì)應(yīng)分解動(dòng)力學(xué)。
二、濾料成分的TGA定量分析
1. 多組分濾料的成分分離
典型濾料組成：
基材：聚酯纖維（PET）、聚丙烯（PP）、玻璃纖維等。
功能層：活性炭、催化劑（如MnO?）、阻燃劑等。
粘合劑：丙烯酸樹脂、聚氨酯（PU）等。
TGA分離示例：
步驟1（25-300℃）：水分、低沸點(diǎn)溶劑揮發(fā)（失重1-3%）。
步驟2（300-450℃）：聚合物基材（如PP）分解（失重~80%）。
步驟3（450-600℃）：活性炭氧化（失重~15%）。
殘留物（>600℃）：無(wú)機(jī)填料（如玻璃纖維、金屬氧化物，殘留~2%）。
2. 功能添加劑定量
活性炭含量測(cè)定：
在惰性氣氛（N?）中加熱至900℃，活性炭不分解（僅基材分解）。
切換至氧化氣氛（Air/O?），活性炭在500-700℃氧化為CO?，通過(guò)失重計(jì)算含量。
公式：活性炭含量（%）=（氧化階段失重 / 初始樣品質(zhì)量）×100。
無(wú)機(jī)催化劑負(fù)載量：
高溫段（如800℃）殘留物質(zhì)量即為催化劑+基材灰分。
需扣除空白樣（無(wú)催化劑的基材）灰分，計(jì)算實(shí)際負(fù)載量。
3. 熱穩(wěn)定性評(píng)估
濾料耐溫極限：
分解溫度（T<sub>d</sub>）>工作溫度+安全余量（如車載濾料需耐受120℃）。
例：某PP濾料T<sub>d</sub>=320℃，實(shí)際使用溫度應(yīng)≤200℃。
阻燃性能驗(yàn)證：
高殘?zhí)柯剩ㄈ?gt;20%）表明阻燃劑有效（形成炭層隔絕氧氣）。
對(duì)比阻燃處理前后的TGA曲線，觀察分解溫度提升和殘?zhí)吭黾印?/p>
三、實(shí)驗(yàn)方法與優(yōu)化
1. 樣品制備
取樣要求：
均勻性：濾料不同位置取樣（如邊緣/中心），研磨至80-100目。
質(zhì)量：5-20mg（避免熱傳遞不均）。
特殊處理：
含吸附成分（如活性炭）需預(yù)先干燥（105℃烘2h），排除水分干擾。
2. 測(cè)試條件優(yōu)化
| 參數(shù) | 推薦設(shè)置 | 說(shuō)明 |
|---|---|---|
| 升溫速率 | 10-20℃/min | 過(guò)快會(huì)掩蓋分解階段，過(guò)慢延長(zhǎng)測(cè)試時(shí)間 |
| 氣氛 | N?（惰性）或Air/O?（氧化） | 根據(jù)分析目標(biāo)切換（如區(qū)分碳與無(wú)機(jī)物） |
| 溫度范圍 | 室溫~900℃ | 覆蓋絕大多數(shù)有機(jī)物分解區(qū)間 |
| 坩堝材質(zhì) | 氧化鋁或鉑金 | 避免與樣品反應(yīng)（如酸性氣體腐蝕鋁坩堝） |
3. 數(shù)據(jù)解析技巧
多步失重分離：
使用一階導(dǎo)數(shù)曲線（DTG）精確識(shí)別重疊分解峰。
例：區(qū)分PET纖維（T<sub>d</sub>≈400℃）與PU粘合劑（T<sub>d</sub>≈300℃）。
動(dòng)力學(xué)分析：
Flynn-Wall-Ozawa法計(jì)算活化能（E<sub>a</sub>），評(píng)估材料熱降解難易程度。
四、實(shí)際應(yīng)用案例
案例1：復(fù)合濾料中活性炭含量測(cè)定
樣品：PP無(wú)紡布+活性炭顆粒復(fù)合濾料。
步驟：
N?氣氛下升溫至500℃，PP完全分解（失重85%），活性炭保留。
切換至Air氣氛，升溫至800℃，活性炭氧化（失重12%）。
殘留3%為玻璃纖維增強(qiáng)層。
結(jié)果：活性炭含量=12% / (100%-3%)×100≈12.4%。
案例2：催化濾料催化劑負(fù)載量驗(yàn)證
樣品：陶瓷纖維濾紙負(fù)載MnO?催化劑。
步驟：
Air氣氛下升溫至800℃，陶瓷纖維質(zhì)量不變，MnO?分解為Mn<sub>3</sub>O<sub>4</sub>（失重~5%）。
空白樣（無(wú)催化劑）殘留98%，實(shí)際樣品殘留93%。
催化劑負(fù)載量=98%-93%=5%（與理論值5.2%吻合）。
五、常見誤差與解決方案
| 誤差來(lái)源 | 影響 | 解決方法 |
|---|---|---|
| 樣品不均勻 | 失重曲線波動(dòng)大 | 充分研磨混合，多點(diǎn)取樣 |
| 氣氛切換延遲 | 活性炭氧化不完全 | 設(shè)置恒溫段（如700℃保持10min） |
| 水分未徹底去除 | 低溫段失重偏高 | 預(yù)處理干燥或TGA測(cè)試前增加恒溫段 |
| 坩堝污染 | 殘留物質(zhì)量誤差 | 高溫煅燒清洗坩堝，使用空白校正 |
六、TGA與其他技術(shù)的聯(lián)用
TGA-FTIR聯(lián)用：
實(shí)時(shí)分析分解氣體成分（如CO?、H?O），確認(rèn)分解機(jī)理。
例：判斷濾料燃燒釋放是否含毒性氣體（如HCl）。
TGA-DSC同步分析：
結(jié)合熱量變化（吸/放熱），區(qū)分物理?yè)]發(fā)與化學(xué)分解。
例：識(shí)別濾料中增塑劑的揮發(fā)（吸熱）與樹脂分解（放熱）。
七、總結(jié)與建議
適用場(chǎng)景：
濾料研發(fā)：優(yōu)化配方比例（如聚合物/活性炭/無(wú)機(jī)填料）。
質(zhì)量控制：批量檢測(cè)成分一致性（如活性炭含量±1%）。
失效分析：評(píng)估使用后濾料熱性能退化（如氧化導(dǎo)致的殘?zhí)柯氏陆担?/p>
局限性：
無(wú)法區(qū)分同分解溫度的成分（如兩種聚合物混合）。
需結(jié)合元素分析（EDS）、紅外光譜（FTIR）輔助定性。
最佳實(shí)踐：
建立濾料成分TGA數(shù)據(jù)庫(kù)，快速比對(duì)未知樣品。
采用分段氣氛控制（N?→Air）提高定量精度。
通過(guò)TGA的精準(zhǔn)定量，可顯著提升濾料性能設(shè)計(jì)的科學(xué)性與生產(chǎn)過(guò)程的可控性，尤其在環(huán)保法規(guī)趨嚴(yán)的背景下，成為濾料行業(yè)不可或缺的分析工具。
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