热重法在高聚物中的应用幻灯片.ppt
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1、热重法在高聚物中的应用第1页,共41页,编辑于2022年,星期日 自六十年代开始,热重法在研究高聚物性质上已获得大自六十年代开始,热重法在研究高聚物性质上已获得大量应用。这方面的研究工作不仅在应用上而且在高聚物量应用。这方面的研究工作不仅在应用上而且在高聚物理论上都有很大价值。所涉及的研究工作大致有下列几理论上都有很大价值。所涉及的研究工作大致有下列几个方面:个方面:测定高聚物的热稳定性、热稳定性与结构和构测定高聚物的热稳定性、热稳定性与结构和构 型型的关系以及添加剂对高聚物性质的影响。的关系以及添加剂对高聚物性质的影响。高聚物热降解过程和机理。高聚物热降解过程和机理。高聚物的降解动力学。高聚
2、物的降解动力学。第2页,共41页,编辑于2022年,星期日第3页,共41页,编辑于2022年,星期日近三十年来,高聚物的发展是惊人的,特别是,为近三十年来,高聚物的发展是惊人的,特别是,为了满足宇航工业的要求而研制出的各种各样耐高温了满足宇航工业的要求而研制出的各种各样耐高温的高聚物。关于高聚物热稳定性的评价至今已作了的高聚物。关于高聚物热稳定性的评价至今已作了大量研究工作。测定高聚物相对稳定性的方法有:大量研究工作。测定高聚物相对稳定性的方法有:非等温热重法、等温热重法、差热分析、热机械分非等温热重法、等温热重法、差热分析、热机械分析等等。析等等。其中以非等温热重法使用得最为广泛。其中以非等
3、温热重法使用得最为广泛。例例如利用热重法获得如利用热重法获得6种耐高温的高聚物:聚砜、聚碳种耐高温的高聚物:聚砜、聚碳酸酯、聚酰亚胺薄膜、聚芳酰胺、聚苯醚、聚苯并咪酸酯、聚酰亚胺薄膜、聚芳酰胺、聚苯醚、聚苯并咪唑的具有明显差别的热降解曲线,见图唑的具有明显差别的热降解曲线,见图6-2-1。第4页,共41页,编辑于2022年,星期日(1)高聚物热稳定性的评价高聚物热稳定性的评价图图6-2-1 热重法评价高聚物的热稳定性热重法评价高聚物的热稳定性1.聚苯酰胺;聚苯酰胺;2.聚碳酸酯;聚碳酸酯;3.聚苯醚;聚苯醚;4.聚酰亚胺薄膜;聚酰亚胺薄膜;5.聚苯并咪唑;聚苯并咪唑;6.聚砜聚砜第5页,共41
4、页,编辑于2022年,星期日由由于于通通常常从从热热重重曲曲线线测测得得的的高高聚聚物物的的分分解解温温度度在在很很大大程程度度上上取取决决于于实实验验条条件件和和实实验验方方法法,所所以以严严格格地地对对比比高高聚聚物物的的热热稳稳定定性性只只能能在在相相同同的的实实验验条条件件下下进进行行。Chiu在在相相同同实实验验条条件件下下测测定定了了聚聚氯氯乙乙烯烯(PVC)、聚聚甲甲基基丙丙烯烯酸酸甲甲酯酯(PMMA)、高高压压聚聚乙乙烯烯(HPPE)、聚聚四四氟氟乙乙烯烯(PTFE)和和芳芳香香聚聚四四酰酰亚亚胺胺(PI)的的热热重曲线,如图重曲线,如图6-2-2所示。所示。根根据据热热重重曲
5、曲线线能能够够很很简简便便地地比比较较高高聚聚物物的的热热稳稳定定性性。显显然然,这这种种对对比比方方法法只只要要严严格格控控制制好好实实验验条条件件可可以以获获得比较可靠的结果。得比较可靠的结果。第6页,共41页,编辑于2022年,星期日图图6-2-2 五种高聚物热稳定性的五种高聚物热稳定性的TG曲线曲线第7页,共41页,编辑于2022年,星期日实际上,在解释非等温热重曲线时关于高聚物热稳实际上,在解释非等温热重曲线时关于高聚物热稳定的临界温度的标准并不统一。至今,所采用的标定的临界温度的标准并不统一。至今,所采用的标准有下列几种:准有下列几种:拐点温度、起始失重温度、最大失重拐点温度、起始
6、失重温度、最大失重速率温度、积分程序分解温度预定的失重百分数温度、速率温度、积分程序分解温度预定的失重百分数温度、外推起始温度和外推终止温度等等。外推起始温度和外推终止温度等等。现仅对其中几种现仅对其中几种标准作如下简要的介绍和讨论。标准作如下简要的介绍和讨论。起始失重温度和最大失重速率温度起始失重温度和最大失重速率温度Wrasidlo等等He气下利用热重法研究了几种杂环高聚气下利用热重法研究了几种杂环高聚物的氧化性和热降解。这些杂环高聚物包括聚苯并物的氧化性和热降解。这些杂环高聚物包括聚苯并咪唑、聚苯并噁唑、聚苯并噻唑、聚喹喔啉以及聚咪唑、聚苯并噁唑、聚苯并噻唑、聚喹喔啉以及聚酰亚胺。所测定
7、的相对热稳定的结果列于表酰亚胺。所测定的相对热稳定的结果列于表2-9。第8页,共41页,编辑于2022年,星期日表表2-9 杂环高聚物在杂环高聚物在He气中的相对热稳定性气中的相对热稳定性高聚物高聚物起始失重温起始失重温度度最大失重速率最大失重速率温度温度最大失重速率最大失重速率%/min聚苯并聚苯并噻唑噻唑6357501.1聚聚酰亚酰亚胺胺5607000.5聚苯并咪聚苯并咪唑唑5856901.8聚苯并噁聚苯并噁唑唑5506751.1聚聚喹喹喔啉喔啉5205501.0第9页,共41页,编辑于2022年,星期日他他们们根根据据这这些些高高聚聚物物的的起起始始失失重重温温度度和和最最大大失失重重速
8、速率率温温度度所所得得的的热热稳稳定定性性次次序序与与Ehlers发发表表的的数数据据并并不不一一致致。后后者者认认为为聚聚苯苯并并噁噁唑唑要要比比聚聚酰酰亚亚胺胺稳稳定定得得多多。通通常常在在氦氦气气中中复复杂杂降降解解机机理理的的热热重重曲曲线线会会显显得得更更为为复复杂杂,相相反反地地,氧氧化化降降解解的的失失重重曲曲线线要要简简单单得得多多,因因为为在在空空气气中中高高聚聚物物可可100%挥挥发发,最最大大失失重重速速率率要要比比氦氦气气中中高高3-5倍倍,并并且且在在空空气气中中最最大大失失重重速率温度也比在氦气中高速率温度也比在氦气中高50-100。第10页,共41页,编辑于202
9、2年,星期日积分程序分解温度(积分程序分解温度(IPDT)法)法该该法法是是根根据据失失重重曲曲线线下下面面的的面面积积来来分分析析高高聚聚物物的的热热稳稳定定性性。将将所所有有要要对对比比的的高高聚聚物物处处在在相相同同的的程程序序条条件件下下,测测定定25-900温温度范围内的热重曲线,如图度范围内的热重曲线,如图2-24所示。所示。先先将将TG曲曲线线下下的的面面积积A(OAFG部部分分)以以占占图图总总面面积积(OACG部部分分)的的分分数数表表示示,即即第11页,共41页,编辑于2022年,星期日图图224 根据高聚物的根据高聚物的TG曲线求算积分程序分解温度曲线求算积分程序分解温度
10、A=第12页,共41页,编辑于2022年,星期日然后,通过下列方程式把然后,通过下列方程式把A转换成温度转换成温度TA:(2-31)TA是一个假设温度。并假定所研究的高聚物在是一个假设温度。并假定所研究的高聚物在990以以前是完全挥发的。前是完全挥发的。由于所对比的材料多数具有难挥发的成分,在由于所对比的材料多数具有难挥发的成分,在900以前不能完全挥发,所以还要引进一个校正因以前不能完全挥发,所以还要引进一个校正因子子K。K为为25到到TA温度的温度的TG曲线下的面积(曲线下的面积(DAHE部分)与由部分)与由TA和剩余重量部分所围成的矩形面积和剩余重量部分所围成的矩形面积(DABE部分)之
11、比。于是通过下列关系可求得积分部分)之比。于是通过下列关系可求得积分程序分解温度值:程序分解温度值:第13页,共41页,编辑于2022年,星期日一一些些常常见见高高聚聚物物的的积积分分程程序序分分解解温温度度的的数数据据见见表表2-10。实实验验结结果果表表 明明 由由 这这 种种 方方 法法 所所 测测 得得 的的 数数 据据 重重 复复 性性 比比 较较 好好。表表2-10 常见高聚物的积分程序分解温度常见高聚物的积分程序分解温度高高 聚聚 物物积积分程序分解温度分程序分解温度聚苯乙聚苯乙烯烯395顺顺式丁式丁烯烯二酸二酸酐酐固化的固化的环环氧氧树树脂脂405有机玻璃有机玻璃345尼尼龙龙
12、-66419聚四氟乙聚四氟乙烯烯555基基伦伦-F410氟橡胶氟橡胶A460硅硅树树脂脂505第14页,共41页,编辑于2022年,星期日积积分分程程序序分分解解温温度度是是衡衡量量高高聚聚物物热热稳稳定定性性的的一一种种指指标标,是是一一种种具具有有实实用用价价值值和和通通用用性性的的指指标标。Happey42采采用用积积分分程程序序分分解解温温度度法法测测定定了了纤纤维维的的IPDT值值,并并以以此此对对比比了了各各种种天天然然和和合合成成的的纤纤维材料的热稳定性。维材料的热稳定性。预定的失重百分比温度预定的失重百分比温度预定的失重百分比温度预定的失重百分比温度虽虽然然热热重重法法衡衡量量
13、热热稳稳定定性性的的标标准准有有许许多多种种,但但是是通通常常采采用用起起始始分分解解温温度度TD作作为为评评定定高高聚聚物物热热稳稳定定性性的的指指标标。实实际际上上,根根据据热热重重曲曲线线确确定定起起始始分分解解温温度度TD是是很很困困难难的的。于于是是提提出出以以各各种种失失重重百百分分数数的的温温度度作作为为评评价价热热稳稳定定性性的的指指标标,例例如如国国际际标标准准局局规规定定失失重重20%和和50%两两点点连连线线与与基基线线交交点点作作为为分分解解温温度度。还还有有以以失失重重1%、10%和和50%的的温温度度作作为为评评定定的的标标准准等等等等。最最近近,有有不不少少研研究
14、究者者采采用用失失重重1%的的温温度度(T1%)作作为为热热稳稳定定性性的的评评定定标标准准。主主要要由由于于这这种种方方法法很很简简便便,而而且且受受试试样样重重量量和加热速率的影响要比起始分解温度法小得多。和加热速率的影响要比起始分解温度法小得多。第15页,共41页,编辑于2022年,星期日图图225高聚物的高聚物的TG曲线曲线第16页,共41页,编辑于2022年,星期日Cullis等等对对一一些些有有机机高高聚聚物物的的热热稳稳定定性性进进行行了了研研究究和和对对比比,他他们们用用10mg试试样样,在在氮氮气气和和10/min升升温温速速率率下下测测定定了了TD和和T1%值值,数数据据列
15、列于于表表2-11中中。有有关关高高聚聚物物的的特特征征热热重重曲线如图曲线如图2-25所示。所示。第17页,共41页,编辑于2022年,星期日表表2-11 某些高聚物热稳定性的对比表某些高聚物热稳定性的对比表 聚合物聚合物聚合物聚合物T TD D K KT T1%1%K K聚氧化甲聚氧化甲烯烯503548聚甲基异丁聚甲基异丁烯烯酸酸酯酯528555聚丙聚丙烯烯531588低低压压聚乙聚乙烯烯490591高高压压聚乙聚乙烯烯506548聚苯乙聚苯乙烯烯436603ABC共聚物共聚物440557聚丁二聚丁二烯烯482507聚异戊二聚异戊二烯烯460513棉花棉花379488第18页,共41页,编
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