Θερμοβαρυτική ανάλυση (TGA) για τον προσδιορισμό της θερμικής σταθερότητας της ρητίνης πολυβινυλοχλωριούχου (PVC)

Θερμοσταθμική Ανάλυση Ρητίνης

Η ρητίνη πολυβινυλοχλωριδίου (PVC), ως βασική ποικιλία πλαστικών γενικής χρήσης, χρησιμοποιείται ευρέως σε βασικούς τομείς όπως σωλήνες κτιρίων, ηλεκτρονική και ηλεκτρική μόνωση και υλικά συσκευασίας. Η θερμική της σταθερότητα καθορίζει άμεσα τη σκοπιμότητα της επεξεργασίας του προϊόντος και την ασφάλεια χρήσης του. Κατά την επεξεργασία σε υψηλή θερμοκρασία ή τη μακροχρόνια χρήση, το PVC είναι επιρρεπές σε αποχλωρίωση αλυσίδας αποδόμησης, οδηγώντας σε αποχρωματισμό, ευθραυστότητα, ακόμη και αστοχία. Επομένως, ο ακριβής χαρακτηρισμός της συμπεριφοράς θερμικής αποδόμησης είναι μια βασική απαίτηση για τη βελτιστοποίηση της σύνθεσης και τον ποιοτικό έλεγχο.

Η θερμοσταθμική ανάλυση (TGA) μπορεί να παρακολουθεί τις ποιοτικές αλλαγές του PVC υπό προγραμματισμένη αύξηση θερμοκρασίας σε πραγματικό χρόνο, παρέχοντας βασικές παραμέτρους όπως η αρχική θερμοκρασία αποσύνθεσης και ο μέγιστος ρυθμός αποδόμησης, παρέχοντας μια επιστημονική βάση για την έρευνα και ανάπτυξη ρητίνης PVC, τον έλεγχο των σταθεροποιητών και τον ποιοτικό έλεγχο στη διαδικασία παραγωγής.

I. Πειραματική Διαδικασία

1. Όργανο μέτρησης: Θερμοσταθμικός αναλυτής TGA200

2. Διαδικασία προετοιμασίας δείγματος: Αυτό το πείραμα χρησιμοποιεί βιομηχανικής ποιότητας ρητίνη PVC ως αντικείμενο δοκιμής, εστιάζοντας στη βελτιστοποίηση των συνθηκών δοκιμής TGA και στην ανάλυση της συμπεριφοράς θερμικής αποδόμησης.

2.1 Προεπεξεργασία: Η ρητίνη PVC ξηράνθηκε σε φούρνο ξήρανσης 80°C για 4 ώρες για την απομάκρυνση της υγρασίας.

2.2 Μέθοδος προετοιμασίας: Το δείγμα κονιοποιήθηκε χρησιμοποιώντας μια μηχανή λείανσης και κοσκινίστηκε για να εξασφαλιστεί ομοιόμορφο μέγεθος σωματιδίων.

2.3 Ποσότητα δείγματος: Ζυγίστηκαν 10-20 mg δείγματος και τοποθετήθηκαν σε κεραμικό χωνευτήρι. Μια πολύ μεγάλη ποσότητα δείγματος θα οδηγούσε σε ανομοιόμορφη μεταφορά θερμότητας, ενώ μια πολύ μικρή ποσότητα θα είχε ως αποτέλεσμα ένα ασθενές σήμα, επηρεάζοντας την ακρίβεια των δεδομένων.

3. Ρυθμίσεις παραμέτρων λογισμικού: Η θερμοκρασία, ο ρυθμός θέρμανσης και το περιβάλλον της ατμόσφαιρας ρυθμίστηκαν μέσω του λειτουργικού λογισμικού του εξοπλισμού. Θερμοκρασία αποκοπής: 700°C, ρυθμός θέρμανσης: 20°C/min, ατμόσφαιρα αζώτου καθ' όλη τη διάρκεια.

4. Φασματική Ανάλυση:

Από τα δεδομένα στο παραπάνω σχήμα, μπορούμε να δούμε ότι η θερμική αποδόμηση της ρητίνης PVC υπό ατμόσφαιρα αζώτου παρουσιάζει ένα τυπικό χαρακτηριστικό δύο σταδίων:

1. Στάδιο αποχλωρίωσης (200-350℃): Ασταθή άτομα χλωρίου στην μοριακή αλυσίδα PVC ξεκινούν μια αλυσιδωτή αντίδραση, απελευθερώνοντας αέριο HCl και σχηματίζοντας μια συζυγή δομή πολυενίου. Αυτό το στάδιο αντιπροσωπεύει περίπου το 70% της συνολικής απώλειας μάζας.

2. Στάδιο θραύσης κύριας αλυσίδας (300-700℃): Η συζυγή δομή πολυενίου αποσυντίθεται περαιτέρω σε ενώσεις υδρογονανθράκων χαμηλού μοριακού βάρους, με το υπόλειμμα να σχηματίζει τελικά ανθρακούχο υπόλειμμα.

Η κορυφή DTG στο πρώτο στάδιο (γύρω στους 300℃) επαληθεύει τη συγκεντρωμένη εμφάνιση της αντίδρασης αποχλωρίωσης. Σε συνδυασμό με την υπέρυθρη φασματοσκοπία, μπορεί να ανιχνευθεί η χαρακτηριστική κορυφή απορρόφησης του HCl. Η διεύρυνση της κορυφής στο δεύτερο στάδιο υποδηλώνει μια πιο σύνθετη αντίδραση αποδόμησης της ανθρακικής αλυσίδας. Επιπλέον, από αυτό το σχήμα, μπορούμε επίσης να λάβουμε την αρχική θερμοκρασία αποσύνθεσης του δείγματος PVC, δηλαδή, Toneset, η οποία είναι 246.83℃. Οι τιμές κορυφής της καμπύλης DTG αντιστοιχούν στον μέγιστο ρυθμό αποδόμησης Tmax για κάθε στάδιο, με τη μέγιστη θερμοκρασία αποσύνθεσης να είναι 303℃.

II. Πειραματικά Συμπεράσματα

Η θερμοσταθμική ανάλυση (TGA), ως βασική τεχνολογία για την αξιολόγηση της θερμικής σταθερότητας της ρητίνης PVC, μπορεί να χαρακτηρίσει ποσοτικά τα στάδια αποδόμησης, τα επίπεδα αντοχής στη θερμότητα και τους μηχανισμούς αντίδρασης αναλύοντας με ακρίβεια τις χαρακτηριστικές παραμέτρους της καμπύλης TG-DTG. Διακρίνει αποτελεσματικά τις διαφορές στη θερμική σταθερότητα μεταξύ των συνθέσεων PVC. Ακόμη και οι ρητίνες με παρόμοια εμφάνιση μπορούν να αναγνωριστούν από τον θερμοσταθμικό αναλυτή μέσω παραμέτρων όπως η αρχική θερμοκρασία αποσύνθεσης και η μέγιστη θερμοκρασία ρυθμού αποσύνθεσης, παρέχοντας κρίσιμη υποστήριξη για τη συνέπεια της παραγωγής και τον έλεγχο της αξιοπιστίας. Επιπλέον, συνδυάζοντας το TGA με υπέρυθρη φασματοσκοπία ή φασματομετρία μάζας, μπορούν να αποκαλυφθούν περαιτέρω οι χημικοί μηχανισμοί αποδόμησης του PVC, παρέχοντας μια μικροσκοπική βάση για το σχεδιασμό μορίων σταθεροποιητή.