Thermogravimetrische Analyse (TGA) zur Bestimmung der thermischen Stabilität von Polyvinylchlorid (PVC)-Harz

Thermogravimetrische Analyse von Harz

Polyvinylchlorid (PVC)-Harz, als eine Kernvarietät von Universalplastiken, wird in Schlüsselbereichen wie Baurohren, elektronischer und elektrischer Isolierung sowie Verpackungsmaterialien weit verbreitet eingesetzt. Seine thermische Stabilität bestimmt direkt die Machbarkeit der Produktverarbeitung und seine Betriebssicherheit. Während der Hochtemperaturverarbeitung oder der Langzeitnutzung neigt PVC zu Dehydrochlorierungs-Kettenabbau, was zu Verfärbung, Versprödung und sogar zum Ausfall führt. Daher ist die genaue Charakterisierung des thermischen Abbaus eine Kernanforderung für die Formulierungsoptimierung und Qualitätskontrolle.

Die Thermogravimetrische Analyse (TGA) kann die Qualitätsveränderungen von PVC unter programmiertem Temperaturanstieg in Echtzeit überwachen und wichtige Parameter wie die anfängliche Zersetzungstemperatur und die maximale Abbaurate liefern, was eine wissenschaftliche Grundlage für die Forschung und Entwicklung von PVC-Harz, die Stabilisatorauswahl und die Qualitätskontrolle im Produktionsprozess bietet.

I. Experimentelles Verfahren

1. Messinstrument: Thermogravimetrischer Analysator TGA200

2. Probenvorbereitungsverfahren: Dieses Experiment verwendet industrielles PVC-Harz als Testobjekt und konzentriert sich auf die Optimierung der TGA-Testbedingungen und die Analyse des thermischen Abbaus.

2.1 Vorbehandlung: Das PVC-Harz wurde 4 Stunden lang in einem Trockenschrank bei 80 °C getrocknet, um Feuchtigkeitseinflüsse zu beseitigen.

2.2 Präparationsmethode: Die Probe wurde mit einer Schleifmaschine pulverisiert und gesiebt, um eine gleichmäßige Partikelgröße zu gewährleisten.

2.3 Probenmenge: 10-20 mg der Probe wurden gewogen und in einen Keramiktiegel gegeben. Eine zu große Probenmenge würde zu ungleichmäßiger Wärmeübertragung führen, während eine zu kleine Menge zu einem schwachen Signal führen und die Datengenauigkeit beeinträchtigen würde.

3. Software-Parametereinstellungen: Temperatur, Heizrate und atmosphärische Umgebung wurden über die Betriebssoftware des Geräts eingestellt. Abschneidetemperatur: 700 °C, Heizrate: 20 °C/min, Stickstoffatmosphäre durchgehend.

4. Spektralanalyse:

Aus den Daten in der obigen Abbildung können wir ersehen, dass der thermische Abbau von PVC-Harz unter einer Stickstoffatmosphäre eine typische zweistufige Charakteristik aufweist:

1. Dechlorierungsstufe (200-350 °C): Unstabile Chloratome an der PVC-Molekülkette initiieren eine Kettenreaktion, wobei HCl-Gas freigesetzt und eine konjugierte Polyenstruktur gebildet wird. Diese Stufe macht etwa 70 % des Gesamtmasseverlusts aus.

2. Hauptkettenbruchstufe (300-700 °C): Die konjugierte Polyenstruktur zersetzt sich weiter in niedermolekulare Kohlenwasserstoffverbindungen, wobei der Rückstand letztendlich einen kohlenstoffhaltigen Rückstand bildet.

Der DTG-Peak in der ersten Stufe (um 300 °C) bestätigt das konzentrierte Auftreten der Dechlorierungsreaktion; gekoppelt mit Infrarotspektroskopie kann der charakteristische Absorptionspeak von HCl nachgewiesen werden. Die Peakverbreiterung in der zweiten Stufe deutet auf eine komplexere Kohlenstoffkettenabbau-Reaktion hin. Darüber hinaus können wir aus dieser Abbildung auch die anfängliche Zersetzungstemperatur der PVC-Probe, d. h. Toneset, erhalten, die 246,83 °C beträgt. Die Peakwerte der DTG-Kurve entsprechen der maximalen Abbaurate Tmax für jede Stufe, wobei die maximale Zersetzungsratentemperatur 303 °C beträgt.

II. Experimentelle Schlussfolgerungen

Die Thermogravimetrische Analyse (TGA) kann als Kerntechnologie zur Bewertung der thermischen Stabilität von PVC-Harz die Abbaustufen, das Hitzebeständigkeitsniveau und die Reaktionsmechanismen quantitativ charakterisieren, indem sie die charakteristischen Parameter der TG-DTG-Kurve genau analysiert. Sie unterscheidet effektiv die Unterschiede in der thermischen Stabilität zwischen PVC-Formulierungen. Selbst Harze mit ähnlichem Aussehen können durch den Thermogravimetrie-Analysator anhand von Parametern wie der anfänglichen Zersetzungstemperatur und der maximalen Zersetzungsratentemperatur identifiziert werden, was eine entscheidende Unterstützung für die Produktionskonsistenz und die Zuverlässigkeitskontrolle bietet. Darüber hinaus können durch die Kopplung von TGA mit Infrarotspektroskopie oder Massenspektrometrie die chemischen Mechanismen des PVC-Abbaus weiter aufgedeckt werden, was eine mikroskopische Grundlage für das Design von Stabilisatormolekülen liefert.