熱重分析（TGA）：評估加氫石油樹脂熱分解溫度的實驗室實踐

一、實驗原理與目的

熱重分析（TGA）通過在程序控溫環境中測量樣品質量隨溫度的變化，揭示物質的熱穩定性、分解過程及成分組成。對于加氫石油樹脂，其熱分解溫度是衡量材料耐熱性的關鍵指標 —— 當溫度升高至分子鏈斷裂或官能團分解時，樣品質量會顯著下降，通過 TGA 曲線可精準定位這一臨界溫度，為樹脂在高溫加工（如熱熔膠、涂料制備）或耐候性應用中的選型提供數據支撐。

二、實驗前準備：儀器與樣品處理

儀器與耗材

TGA 儀器：配備溫控系統（室溫～1000℃）、高精度天平（精度 10⁻⁵g）及惰性氣體（氮氣或氬氣，純度≥99.99%）供應裝置，確保測試環境無氧化干擾。

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

樣品制備

加氫石油樹脂需研磨成均勻細粉（粒徑 < 100μm），避免顆粒過大導致內部傳熱不均；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。

空白實驗：同步進行空坩堝測試，用于扣除儀器基線漂移和背景噪聲。

三、實驗流程：參數設置與操作步驟

測試參數設計

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間）。

氣體氛圍：全程通入氮氣（流量 50~100mL/min），抑制樹脂氧化分解，確保熱分解僅由溫度驅動。

數據采集：每秒記錄一次質量變化，分辨率需達到 0.01% 樣品質量。

操作步驟

將坩堝放入 TGA 儀器樣品倉，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雜質，避免干擾后續分解信號。

待基線穩定后，按設定參數開始程序升溫，實時記錄熱重（TG）曲線和微商熱重（DTG）曲線 ——TG 曲線反映質量隨溫度的累積變化，DTG 曲線（質量變化速率）則用于定位分解速率很快的溫度點。

四、數據解讀：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 “平臺 - 陡降” 特征：

初始平臺期（室溫～200℃）：質量基本不變，對應樹脂中殘留溶劑或小分子助劑的揮發（若有）。

分解起始點（T₁）：當溫度升高至分子鏈開始斷裂時，質量開始顯著下降，一般定義為質量損失 5% 時的溫度（國際標準 ISO 11358 中常用方法）。

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

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）。

五、影響因素與實驗注意事項

關鍵影響因素

升溫速率：速率越快，熱滯后效應越明顯，T₁和 Tmax 會向高溫偏移（如速率從 10℃/min 增至 20℃/min 時，Tmax 可能升高 10~20℃），因此需嚴格控制升溫速率并保持實驗重復性。

樣品量與堆積密度：樣品量過多會導致內部傳熱不均，分解溫度測量值偏低；堆積過密則可能因局部缺氧影響分解機理，建議樣品厚度 < 1mm。

注意事項

實驗結束后，需待樣品倉冷卻至室溫再取出坩堝，避免高溫下空氣倒吸導致殘留樹脂氧化；

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

六、拓展應用與實驗價值

通過 TGA 數據可進一步計算熱分解動力學參數（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理。例如，當 Ea>150kJ/mol 時，樹脂在擠出成型（溫度≤220℃）中具有良好的熱穩定性；若 Ea<100kJ/mol，則需添加熱穩定劑（如有機錫類）以抑制加工過程中的熱氧老化。這一實驗為樹脂在高溫場景（如道路標線涂料、電子封裝材料）的應用提供了量化依據。

本文來源：河南向榮石油化工有限公司 http://m.cheng114.com/