一、熱重分析的核心原理
基本原理：在程序控溫（升溫/恒溫）環境下，實時監測樣品質量隨溫度或時間的變化，通過失重曲線解析材料組成。
關鍵參數：
分解溫度（T<sub>d</sub>）：材料開始顯著失重的溫度。
殘炭率（Char Yield）：高溫段（如800℃）殘留物質量占比。
失重速率（DTG曲線）：質量變化速率峰值對應分解動力學。
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、低沸點溶劑揮發（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℃）：無機填料（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?，通過失重計算含量。
公式：活性炭含量（%）=（氧化階段失重 / 初始樣品質量）×100。
無機催化劑負載量：
高溫段（如800℃）殘留物質量即為催化劑+基材灰分。
需扣除空白樣（無催化劑的基材）灰分，計算實際負載量。
3. 熱穩定性評估
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℃，實際使用溫度應≤200℃。
阻燃性能驗證：
高殘炭率（如>20%）表明阻燃劑有效（形成炭層隔絕氧氣）。
對比阻燃處理前后的TGA曲線，觀察分解溫度提升和殘炭增加。
三、實驗方法與優化
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）需預先干燥（105℃烘2h），排除水分干擾。
2. 測試條件優化
| 參數 | 推薦設置 | 說明 |
|---|---|---|
| 升溫速率 | 10-20℃/min | 過快會掩蓋分解階段，過慢延長測試時間 |
| 氣氛 | N?（惰性）或Air/O?（氧化） | 根據分析目標切換（如區分碳與無機物） |
| 溫度范圍 | 室溫~900℃ | 覆蓋絕大多數有機物分解區間 |
| 坩堝材質 | 氧化鋁或鉑金 | 避免與樣品反應（如酸性氣體腐蝕鋁坩堝） |
3. 數據解析技巧
多步失重分離：
使用一階導數曲線（DTG）精確識別重疊分解峰。
例：區分PET纖維（T<sub>d</sub>≈400℃）與PU粘合劑（T<sub>d</sub>≈300℃）。
動力學分析：
Flynn-Wall-Ozawa法計算活化能（E<sub>a</sub>），評估材料熱降解難易程度。
四、實際應用案例
案例1：復合濾料中活性炭含量測定
樣品：PP無紡布+活性炭顆粒復合濾料。
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%為玻璃纖維增強層。
結果：活性炭含量=12% / (100%-3%)×100≈12.4%。
案例2：催化濾料催化劑負載量驗證
樣品：陶瓷纖維濾紙負載MnO?催化劑。
步驟：
Air氣氛下升溫至800℃，陶瓷纖維質量不變，MnO?分解為Mn<sub>3</sub>O<sub>4</sub>（失重~5%）。
空白樣（無催化劑）殘留98%，實際樣品殘留93%。
催化劑負載量=98%-93%=5%（與理論值5.2%吻合）。
五、常見誤差與解決方案
| 誤差來源 | 影響 | 解決方法 |
|---|---|---|
| 樣品不均勻 | 失重曲線波動大 | 充分研磨混合，多點取樣 |
| 氣氛切換延遲 | 活性炭氧化不完全 | 設置恒溫段（如700℃保持10min） |
| 水分未徹底去除 | 低溫段失重偏高 | 預處理干燥或TGA測試前增加恒溫段 |
| 坩堝污染 | 殘留物質量誤差 | 高溫煅燒清洗坩堝，使用空白校正 |
六、TGA與其他技術的聯用
TGA-FTIR聯用：
實時分析分解氣體成分（如CO?、H?O），確認分解機理。
例：判斷濾料燃燒釋放是否含毒性氣體（如HCl）。
TGA-DSC同步分析：
結合熱量變化（吸/放熱），區分物理揮發與化學分解。
例：識別濾料中增塑劑的揮發（吸熱）與樹脂分解（放熱）。
七、總結與建議
適用場景：
濾料研發：優化配方比例（如聚合物/活性炭/無機填料）。
質量控制：批量檢測成分一致性（如活性炭含量±1%）。
失效分析：評估使用后濾料熱性能退化（如氧化導致的殘炭率下降）。
局限性：
無法區分同分解溫度的成分（如兩種聚合物混合）。
需結合元素分析（EDS）、紅外光譜（FTIR）輔助定性。
最佳實踐：
建立濾料成分TGA數據庫，快速比對未知樣品。
采用分段氣氛控制（N?→Air）提高定量精度。
通過TGA的精準定量，可顯著提升濾料性能設計的科學性與生產過程的可控性，尤其在環保法規趨嚴的背景下，成為濾料行業不可或缺的分析工具。
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