在材料科學領域，熱裂解是一個重要的物理化學過程，涉及到材料在加熱條件下的結構變化和產(chǎn)物生成。為了深入理解材料的熱裂解過程，科學家們發(fā)展了一系列的分析技術，其中熱重-紅外聯(lián)用技術因其獨特的優(yōu)勢而備受關注。

熱重-紅外聯(lián)用技術結合了熱重分析（TGA）和紅外光譜分析（IR）兩種技術。TGA是一種測量物質在程序控溫下質量與溫度或時間關系的技術，它能夠實時監(jiān)測樣品在加熱過程中的質量變化，從而提供關于材料的熱穩(wěn)定性、熱分解反應等信息。而IR則是一種基于分子振動和轉動能級躍遷的光譜分析技術，通過測量物質對紅外光的吸收或發(fā)射，可以獲得物質分子結構和官能團信息。

在熱重-紅外聯(lián)用技術中，熱重分析儀和紅外光譜儀通過接口設備連接在一起，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的同步采集和分析。在熱裂解實驗過程中，樣品在熱重分析儀中加熱，產(chǎn)生的氣體產(chǎn)物通過接口設備進入紅外光譜儀進行檢測。紅外光譜儀通過分析氣體產(chǎn)物的紅外光譜，可以準確鑒定產(chǎn)物的種類和組成，從而揭示材料在熱裂解過程中的化學變化。

熱重-紅外聯(lián)用技術在材料熱裂解研究上的應用

1.熱裂解過程監(jiān)測

熱重-紅外聯(lián)用技術能夠實時監(jiān)測材料在熱裂解過程中的質量變化和氣體產(chǎn)物生成情況。通過熱重分析儀測量樣品的質量損失，可以了解材料的熱穩(wěn)定性和熱分解溫度；而通過紅外光譜儀分析氣體產(chǎn)物的紅外光譜，可以準確鑒定產(chǎn)物的種類和組成。這種實時監(jiān)測的方法有助于科學家**了解材料的熱裂解過程，為理解熱裂解機理提供有力支持。

2.熱裂解產(chǎn)物鑒定

熱重-紅外聯(lián)用技術能夠準確鑒定材料熱裂解產(chǎn)物的種類和組成。在熱裂解過程中，樣品會釋放出各種氣體產(chǎn)物，如烴類、醇類、醛類、酮類、酸類、酯類、胺類、酰胺類、腈類、醚類、硫醇類等。這些氣體產(chǎn)物在紅外光譜儀中會產(chǎn)生特定的紅外光譜特征，通過分析這些特征可以準確鑒定產(chǎn)物的種類和組成。此外，紅外光譜儀還可以檢測凝聚相產(chǎn)物和中間產(chǎn)物的紅外光譜特征，從而**了解熱裂解過程中產(chǎn)物的生成和演變。

3.熱裂解機理研究

通過熱重-紅外聯(lián)用技術，可以詳細研究材料的熱裂解機理和基元反應。在熱裂解過程中，材料會經(jīng)歷一系列復雜的物理化學變化，包括化學鍵的斷裂、自由基的生成和反應、聚合和縮聚反應等。這些變化會導致材料分子結構的改變和產(chǎn)物的生成。熱重-紅外聯(lián)用技術能夠實時監(jiān)測這些變化過程，并通過紅外光譜儀分析產(chǎn)物的紅外光譜特征，從而揭示熱裂解機理和基元反應。這對于理解材料的熱裂解過程和優(yōu)化材料的性能具有重要意義。

4.材料熱性能評估

熱重-紅外聯(lián)用技術還可以用于評估材料的熱性能，如熱穩(wěn)定性、熱分解溫度等。這些性能參數(shù)對于材料的實際應用至關重要，特別是在高溫、高壓等極端環(huán)境下的應用。通過熱重-紅外聯(lián)用技術，可以測量材料在加熱過程中的質量損失和氣體產(chǎn)物生成情況，從而評估材料的熱性能。這種方法具有快速、準確、可靠的特點，為材料的篩選和優(yōu)化提供了有力支持。

FTIR聯(lián)用-應用實例

1.水性清漆的固化過程

涂料中的揮發(fā)組分可能污染環(huán)境，而水性涂料或粉末涂料在很大程度上能減輕這種問題。

稱取31.9mg的雙組份水性清漆樣品，用TG209F1Libra-FT-IR聯(lián)用系統(tǒng)進行分析。樣品在氮氣氣氛中以5K/min升溫至300℃，氮氣流速45ml/min。到達100℃時樣品的主要失重是由于水的揮發(fā)，但還有一部分是來自于烴類物質，如乙酸烷基酯和脂肪族醇。軌跡圖上兩個峰顯示這些組分*大揮發(fā)速率在154℃。因此，在這種水性清漆的干燥過程中，沒有跡象顯示有毒氣體產(chǎn)生。

水性清漆的干燥與固化

2.**

在**、賦形劑及衍生產(chǎn)品的研究中，**穩(wěn)定性、保質期及溶劑的殘留是非常重要的表征。一片阿司匹林在氮氣氣氛中以10K/min升溫速率加熱至完全分解，氮氣流量45ml/min。TG曲線上可觀察到兩個失重臺階，揮發(fā)的氣體混合物主要為乙酸、水楊酸、苯酚及CO2。由于管線加熱且溫度可控，即便是高沸點組分也可以順利地可通過氣體傳輸管線到達FT-IR氣體室，得到相關的紅外圖譜。

乙酰水楊酸的熱分解

由此可得到樣品熱分解過程，如以下結構式所示：

高沸點產(chǎn)物低壓下的測量

當揮發(fā)物的沸點溫度遠高于傳輸管線的加熱溫度時，這些揮發(fā)物的檢測需要特殊的條件。耐馳的熱紅聯(lián)用系統(tǒng)為真空密閉設計，能在低壓下進行測試。通過這種方式，揮發(fā)樣品的沸點溫度會降低，使其可以通過傳輸管線而沒有任何損失，可用來檢測聚合物和橡膠中高沸點的增塑劑，如下面全氟化O型圈中Fomblin®的檢測。熱重與整個氣路系統(tǒng)的壓強控制在100mbar，在370℃增塑劑Fomblin揮發(fā)，與其純物質的紅外譜圖比對可進行確認。在更高溫度（460℃），還可以檢測得到聚合物的分解產(chǎn)物如HF和其他產(chǎn)物，下圖箭頭所標識的吸收峰為HF的典型吸收。

低壓下全氟橡膠加熱過程中逸出氣體的檢測

3.建筑材料

建筑行業(yè)一般要考慮到節(jié)能因素，這就要求墻體結構導熱低，因此通常使用高孔隙率的建筑磚。在粘土中摻入各類有機產(chǎn)品，可在燒結過程中形成空腔，由此提高孔隙率。

下圖可見，在傳統(tǒng)的粘土磚中有機物的燒失伴隨大量的放熱（775J/g）。粘合劑燒失過程中，水與CO2為主要產(chǎn)物，但是熱紅聯(lián)用系統(tǒng)能清晰地檢測到粘土中HF與SO2的揮發(fā)。對揮發(fā)產(chǎn)物的檢測，有助于從經(jīng)濟與生態(tài)環(huán)境的角度來優(yōu)化燒結過程。

多孔磚生粘土的TG與DSC曲線

熱重-紅外聯(lián)用技術在材料熱裂解研究上具有廣泛的應用前景和重要的科學價值。它能夠實時監(jiān)測材料的熱裂解過程、準確鑒定產(chǎn)物的種類和組成、詳細研究熱裂解機理和基元反應以及評估材料的熱性能。雖然該技術存在一些局限性，如設備成本較高。