基于热重分析法的丙烯酸酯基隔音复合材料热分解分析

唐 婷 ，何 栋

（西安航空职业技术学院，陕西西安710089)

丙烯酸属于基体树脂的范畴，具备温域宽的基本特点。在丙烯酸酯乳液的基础上掺入适量交联树脂等材料，混合后产生三维互穿网络，营造特定的温度条件，经过密炼与挤出工艺后可产生丙烯酸酯基隔音复合材料。实际结果表明，该复合材料具备合成效率高、工艺简单等多重特点，可满足多数场景下的隔音要求，在现代建筑等领域具有较好的应用价值。

1 热重分析概述

通过程序的作用维持温度，使其具有合理性，检测此环境下物质质量与温度间具备的关联，即可称之为热重量分析法。经试验后创建热重曲线，从中确定材料热稳定水平，明确发生热分解后产生的具体产物类型。在常规热重量分析的基础上，可衍生出微商热重量分析法，作为一种升级方法，根据所得结果可创建DTG 曲线，该图像中质量变化率为纵坐标，温度或时间为横坐标。综合来看，热重量分析表现出定量性强的特点，可反映物质的质量变化情况。因此，若物质处于受热的环境下，可通过热重量分析的方式明确质量变化情况。

2 热重分析的影响因素

2.1 气体浮力和对流的影响

气体浮力方面：因温度的变化将带来气体密度的改变，伴随温度的提升，将直接改变样品周边的气体密度，并带来浮力变化的情况。从这一角度来看，虽然样品自身质量保持稳定状态，但受温度的影响，依然会出现因温度升高而带来质量增加的情况，我们将其称为表观增重。

对流方面：依然与环境温度有关，由于气体处于受热的状态，在此环境下将产生大量向上运动的热气流，最终带来试样表观质量变化的情况。

措施：根据上述影响机制提出解决措施，为控制气体浮力与对流，在分析工作中可创造真空环境，或是改变仪器类型，选择卧式热重仪，从而消除气体浮力或对流现象对热重量结果的不良影响。

2.2 坩埚的影响

规格方面：坩埚的大小是重要的影响因素，在很大程度上决定了试样的热传导状况；同时，坩埚形状的不同，所带来的试样挥发速率也存在差异。鉴于此，在坩埚的选取上要遵循轻巧、浅底的原则，以确保试样在锅底能够均匀分布，从而提升热传导效率。

材质方面：较为可行的是惰性材料，其敏感性较低，可降低对试样、产物的影响，较典型的有Pt 等。

2.3 挥发物冷凝的影响

样品若发生受热分解现象，将产生挥发性物质，由于仪器内各区域温度有所不同，因此会在低温处冷凝，在污染仪器的同时还会对最终测定结果的准确性带来不良影响。若冷凝集中在样品支架上，上述影响程度更深，因温度的升高，伴随有二次挥发的问题，致使TG 曲线变形。

最大程度控制挥发物冷凝现象，对坩埚周围采取优化措施，如：设置耐热屏蔽套管；选取带有水平结构的天平；严格控制样品用量，避免天平灵敏度下降的情况。做好实验前的分析工作，初步预估样品分解状况，为后续实验环节提供指导。

2.4 升温速率的影响

由于升温速率的变化，致使热重曲线随之改变。从热传递途径来看，为“介质→坩埚→样品”的流程，因此炉子与样品坩埚易出现温差现象。因升温速率的改变，该处的温差发生变化，产生测量误差。根据经验，升温速率为5℃/min 时可有效控制不良影响。

由于升温速率的变化，将直接改变样品的分解温度，伴随该速率的提升，将出现更明显的滞后性，分解过程中起止温度都相对较高。

在升温速率不同的条件下，加大了热重曲线的变形概率。若实际升温速率较快，则加大中间产物的检出难度，增强了热重曲线拐点的隐蔽性。反之，若升温速率慢，此时可更完整地呈现出热重曲线的整个过程 。

升温速率并非引发失重量改变的因素，但会对热重曲线带来影响，表现为形状的改变，同时试样分解温度也将发生变化。

慢速升温可帮助工作人员更全面地分析样品分解过程，但不可盲目认为快速升温就一定会产生弊端，具体应结合实验条件做综合性分析。若样品量较小，此时可采取快速升温的方式，相比之下慢速升温的应用效果欠佳，难以检测中间产物。

2.5 气氛的影响

气氛主要带来的是反应速率、温度等层面的变化，且在一定程度上影响热重称量结果。若实验中气流速度提升，表观增重幅度加大，因此合理控制气氛条件较为关键。

热重实验可发生于两类条件下：静态气氛中，TG曲线主要受到了产物分压的影响，在其作用下反应向高温移动；若为动态气氛，基本特点为产物的分压影响偏弱。根据此特点，推荐使用动态气氛的方式，实验中气体流速设定为20mL/min。关于气氛类型的选择，以惰性气氛、还原性气氛较为可行，或是使用CO2等。

3 实验部分

本次实验使用到丙烯酸酯乳液，源自于黑龙江省科学院石油化学研究院；隔音性能分析设备为7758 型驻波管；使用温域的分析工作中选择的是EXSTARDMS6100型动态机械热分析仪。升温速率的选择，共设定有5℃/min 、10 ℃/min、20 ℃/min、30 ℃/min、40 ℃/min 五种情况，分别分析常温～600℃环境下各自产生的热失重情况，创建TG-DTG 曲线，根据图中信息总结该复合材料的热分解特性。

3.1 隔音性能及动态机械热分析

图1 所示为4mm 厚的丙烯酸酯基隔音复合材料片材的隔音性能曲线。从图形所给信息得知，若测试频率＞400Hz，此条件下产生的隔音量＞30dB。综合分析参考材料可知，本文所分析的复合材料性能更为良好。

图1 丙烯酸酯基隔音复合材料隔音性能曲线Fig.1 Sound insulation performance curve of acrylate based sound insulation composite

根据实验结果绘制DMA 谱图，具体如图2 所示。根据图中信息得知，若损耗因子tanδmax为1.02，阻尼温域（tanδ＞0.3）在-37.1℃～80.0℃的条件下，该复合材料产生的ΔT为117.1℃。

图 2 丙烯酸酯基隔音复合材料 DMA 曲线Fig.2 DMA curve of acrylate based sound insulation composite

3.2 丙烯酸酯基隔音复合材料热分解动力学分析

3.2.1 TG/DTG 分析

本文除了选择丙烯酸酯基隔音复合材料外，还引入国外某隔音材料用于对比分析，分别生成各自在不同升温速率影响下对应的TG 和DTG 谱图。均在300 ℃的条件下分析热失重率，结果表明国外样品该指标为13.9%～14.6%；相比之下，本文所用材料的失重率则下降至1.3%～4.5%。因此，热分解动力学参数是重要的指导因素，综合分析该指标有助于提升该复合材料的应用水平。现阶段，热分解动力学的可行方式较多，此处则选取两种代表性的方法，具体做如下分析。

3.2.2 Kissinger 方法

此方法的便捷性更好，无需确切掌握反应机理，仅通过ln（β/Tp2）对1000/Tp作图便可生成图形，通过计算的方式确定热分解活化能E。方程为：

式（1）中：β为升温速度，Tp 为失重速率最大时的温度，A为指前因子，αp 为最大失重速率时的转化率，n为反应级数。引入ln（β/Tp2），通过该因子对1000/Tp作图，可生成拟合直线图，结果表明：国外某样品线性回归常数R值为0.99，进一步求出热分解活化能，具体为125.72kJ/mol；再分析本文的复合材料，得知R值为0.99，根据此数据可以得知热分解活化能为207.45kJ/mol。

3.2.3 Flynn-Wall-Ozawa 方法

引入了Doyle 近似理论，确定此方法的表达式：

式（2）中：β为升温速度，T为转化率，A为指前因子。

此方法分析工作中，无需完全掌握反应机理，可较为便捷的求得热分解活化能E值，但必须求得指前因子A，因此要明确g(α) 的表达式。在各升温速率下，从对应的TG 谱图中可以得知失重率为5%时所产生的温度Tp，并使用lnβ对1000/Tp作图，所得结果如图3 所示。

图3 依据Flynn-Wall-Ozawa 方程 lgβ 对 1000/Tp 关系图Fig.3 Relationship between lgβ and 1000/Tp according to Flynn-Wall-Ozawa equation

根据图3 内容，从国外样品分析结果得知，其线性回归常数R 为0.99，可求得热分解活化能，具体为132.99kJ/mol；本文所提及的复合材料中，R值0.99，可求得热分解活化能为207.59kJ/mol。

4 结语

综上，在300℃的条件下分析各材料的失重率，得知国外样品为13.9%～14.6%，本文重点探讨的丙烯酸酯基隔音复合材料该值下降至1.3%～4.5%。并通过Kissinger 方程和Flynn-Wall-Ozawa 方程分别求得两类材料的热分解活化能，其中国外样品分别为125.72kJ/mol 和132.99kJ/mol；本文提出的复合材料则为207.45kJ/mol 和207.59kJ/mol。