熱重分析（TGA）：評(píng)估加氫石油樹脂熱分解溫度的實(shí)驗(yàn)室實(shí)踐

一、實(shí)驗(yàn)原理與目的

熱重分析（TGA）通過(guò)在程序控溫環(huán)境中測(cè)量樣品質(zhì)量隨溫度的變化，揭示物質(zhì)的熱穩(wěn)定性、分解過(guò)程及成分組成。對(duì)于加氫石油樹脂，其熱分解溫度是衡量材料耐熱性的關(guān)鍵指標(biāo) —— 當(dāng)溫度升高至分子鏈斷裂或官能團(tuán)分解時(shí)，樣品質(zhì)量會(huì)顯著下降，通過(guò) TGA 曲線可精準(zhǔn)定位這一臨界溫度，為樹脂在高溫加工（如熱熔膠、涂料制備）或耐候性應(yīng)用中的選型提供數(shù)據(jù)支撐。

二、實(shí)驗(yàn)前準(zhǔn)備：儀器與樣品處理

儀器與耗材

TGA 儀器：配備溫控系統(tǒng)（室溫～1000℃）、高精度天平（精度 10⁻⁵g）及惰性氣體（氮?dú)饣驓鍤?，純度?/span>99.99%）供應(yīng)裝置，確保測(cè)試環(huán)境無(wú)氧化干擾。

樣品容器：氧化鋁或鉑金坩堝（耐溫性好，避免與樣品反應(yīng)），使用前需在高溫（如 800℃）下灼燒 30 分鐘去除雜質(zhì)。

樣品制備

加氫石油樹脂需研磨成均勻細(xì)粉（粒徑 < 100μm），避免顆粒過(guò)大導(dǎo)致內(nèi)部傳熱不均；稱取 5~10mg 樣品（精確至 0.1mg），平鋪于坩堝底部，確保受熱面積均勻。

空白實(shí)驗(yàn)：同步進(jìn)行空坩堝測(cè)試，用于扣除儀器基線漂移和背景噪聲。

三、實(shí)驗(yàn)流程：參數(shù)設(shè)置與操作步驟

測(cè)試參數(shù)設(shè)計(jì)

溫度范圍：從室溫開始，以 10℃/min 的升溫速率升至 600℃（覆蓋加氫石油樹脂可能的分解區(qū)間）。

氣體氛圍：全程通入氮?dú)猓髁?/span> 50~100mL/min），抑制樹脂氧化分解，確保熱分解僅由溫度驅(qū)動(dòng)。

數(shù)據(jù)采集：每秒記錄一次質(zhì)量變化，分辨率需達(dá)到 0.01% 樣品質(zhì)量。

操作步驟

將坩堝放入 TGA 儀器樣品倉(cāng)，密封后先以 10℃/min 升溫至 100℃并保持 10 分鐘，除去樣品表面吸附的水分或低沸點(diǎn)雜質(zhì)，避免干擾后續(xù)分解信號(hào)。

待基線穩(wěn)定后，按設(shè)定參數(shù)開始程序升溫，實(shí)時(shí)記錄熱重（TG）曲線和微商熱重（DTG）曲線 ——TG 曲線反映質(zhì)量隨溫度的累積變化，DTG 曲線（質(zhì)量變化速率）則用于定位分解速率很快的溫度點(diǎn)。

四、數(shù)據(jù)解讀：熱分解溫度的確定方法

TG 曲線分析

加氫石油樹脂的 TG 曲線通常呈現(xiàn) “平臺(tái) - 陡降” 特征：

初始平臺(tái)期（室溫～200℃）：質(zhì)量基本不變，對(duì)應(yīng)樹脂中殘留溶劑或小分子助劑的揮發(fā)（若有）。

分解起始點(diǎn)（T₁）：當(dāng)溫度升高至分子鏈開始斷裂時(shí)，質(zhì)量開始顯著下降，一般定義為質(zhì)量損失 5% 時(shí)的溫度（國(guó)際標(biāo)準(zhǔn) ISO 11358 中常用方法）。

分解溫度上限值（Tmax）：通過(guò) DTG 曲線的峰值確定，此時(shí)樹脂分子鏈大規(guī)模斷裂，質(zhì)量損失速率很快。

典型案例參考

氫化 C₉石油樹脂的熱分解起始溫度（T₁）通常在 280~320℃，Tmax 約為 350~380℃；而氫化 C₅石油樹脂因分子鏈更短、支鏈更少，T₁可能提前至 250~270℃，Tmax 為 320~350℃。若樹脂中含有抗氧劑等添加劑，T₁可能延后 50~80℃（如添加受阻酚類抗氧劑時(shí)）。

五、影響因素與實(shí)驗(yàn)注意事項(xiàng)

關(guān)鍵影響因素

升溫速率：速率越快，熱滯后效應(yīng)越明顯，T₁和 Tmax 會(huì)向高溫偏移（如速率從 10℃/min 增至 20℃/min 時(shí)，Tmax 可能升高 10~20℃），因此需嚴(yán)格控制升溫速率并保持實(shí)驗(yàn)重復(fù)性。

樣品量與堆積密度：樣品量過(guò)多會(huì)導(dǎo)致內(nèi)部傳熱不均，分解溫度測(cè)量值偏低；堆積過(guò)密則可能因局部缺氧影響分解機(jī)理，建議樣品厚度 < 1mm。

注意事項(xiàng)

實(shí)驗(yàn)結(jié)束后，需待樣品倉(cāng)冷卻至室溫再取出坩堝，避免高溫下空氣倒吸導(dǎo)致殘留樹脂氧化；

若需對(duì)比不同批次加氫石油樹脂的熱穩(wěn)定性，需同步測(cè)試樣品的軟化點(diǎn)（如環(huán)球法）和分子量分布（GPC），因分子鏈完整性和交聯(lián)度直接影響熱分解行為。

六、拓展應(yīng)用與實(shí)驗(yàn)價(jià)值

通過(guò) TGA 數(shù)據(jù)可進(jìn)一步計(jì)算熱分解動(dòng)力學(xué)參數(shù)（如活化能 Ea，采用 Coats-Redfern 法），揭示加氫石油樹脂在高溫加工中的降解機(jī)理。例如，當(dāng) Ea>150kJ/mol 時(shí)，樹脂在擠出成型（溫度≤220℃）中具有良好的熱穩(wěn)定性；若 Ea<100kJ/mol，則需添加熱穩(wěn)定劑（如有機(jī)錫類）以抑制加工過(guò)程中的熱氧老化。這一實(shí)驗(yàn)為樹脂在高溫場(chǎng)景（如道路標(biāo)線涂料、電子封裝材料）的應(yīng)用提供了量化依據(jù)。

本文來(lái)源：河南向榮石油化工有限公司 http://www.hartraders.com/