熱重分析儀 ( TGA ) 是測試樣品材料在特定溫度條件下的質量變化情形的儀器。當被測物質在加熱過程中有升華、汽化、分解出氣體或失去結晶水時，被測的物質質量就會發生變化。熱重分析法具有操作簡便、靈敏、速度快、所需試樣量少的特點，已被廣泛地應用在聚合物組分研究中。熱重分析儀可以連續記錄質量與溫度變化關系; 對于聚合物的組分可以實現材料的裂解溫度、成分比例等特性研究。

填充改性聚丙烯具有價格低、密度低、拉伸強度高等優點而廣泛應用于汽車、家電、建筑、包裝等行業; 且填充改性趨勢從單一礦物填充體系向多組分填充方向發展; 其中碳酸鈣是填充改性聚丙烯材料中常用的無機填料，而且填充質量分數較高，質量分數一般大于10%; 填料質量分數的測試一般采用燒灰分的方法，但由于碳酸鈣在高溫條件下分解殘留的質量不能準確反映填料的比例，尤其和其他填料一起填充改性時，對于碳酸鈣的定量分析更加困難， 因此對于復雜的碳酸鈣填充體系中碳酸鈣的定量分析成為緊迫的需要; 另外隨著塑料再生的需求增多，對于廢舊塑料中碳酸鈣質量分數的準確分析，有利于材料的分類處理及回收，提高回收利用的效率。

本文利用 TGA 對碳酸鈣原材料進行分解溫度研究，通過優化定量分析條件，并在此條件下研究了滑石粉、玻纖、聚丙烯的失重情況; 由于聚丙烯可分解完全; 而碳酸鈣的失重比例恰好是二氧化碳的損失量。并對單一碳酸鈣改性聚丙烯、碳酸鈣和玻纖改性聚丙烯及滑石粉、碳酸鈣、玻纖改性聚丙烯進行了定量分析，經過重復性試驗驗證，發現具有準確性好、分析效率高、環保性好等優點; 結果表明利用TGA 可以快速、準確完成單一碳酸鈣改性聚丙烯和復雜填充聚丙烯中碳酸鈣的定量分析。

1、 實驗部分

1.1、定量分析原理

碳 酸 鈣 在 分 解 過 程 中 會 產 生 二 氧 化 碳 氣體，利用二氧化碳損失的質量比例，進行碳酸鈣的定量分析，分解式見下:

1.2、測試方法

通過TGA 對碳酸鈣、玻纖、滑石粉、聚丙烯原材料及碳酸鈣改性聚丙烯、碳酸鈣和玻纖改性聚丙烯、碳酸鈣/ 滑石粉/ 玻纖改性聚丙烯進行熱重 ( TG) 分析。

測試條件 1: 氮氣氣氛，氮氣流量 20 mL / min， 以 20 ℃ / min 升溫速率升至 750 ℃ 。

測試條件 2: 氮氣氣氛，氮氣流量 20  mL / min，以20 ℃ / min 升溫速率升至 750 ℃，750 ℃下恒溫 20 min。

2、結果與討論

2.1、對碳酸鈣進行 TG 分析及測試條件的優化

利用 TGA 對碳酸鈣進行熱重分析，升溫速率 20顯分解，750 ℃ 時碳酸鈣原材料 1 殘留質量 92. 06%， 說明碳酸鈣原材料 1 還未分解完全。利用同等條件研究碳酸鈣原材料 2，由 TG 曲線可知，殘留質量為89. 5%，同樣說明此實驗條件下進行 TG 分析 ( 見圖2) ，實驗結束時，碳酸鈣還未分解完全。為了使碳酸鈣充分分解，分別在 750 ℃ 條件下進行了 10、20 min 兩個時間段下的恒溫失重研究，見圖 3 ～ 圖 4，結果表明: 在 750 ℃ 條件下，恒溫 20 min，可以使碳酸鈣完全分解，且失重比例為 44%，與碳酸鈣完全分解的失重比例相一致。

圖 1   碳酸鈣原材料 1 的 TG 曲線  ( 30 ～ 750 ℃ )

圖 2   碳酸鈣原材料 2 的 TG 曲線  ( 30 ～ 750 ℃ )

圖 3 碳酸鈣原材料 2 的 TG 曲線 ( 30 ～ 750 ℃ ，750 ℃恒 溫 10 min)

圖 4 碳酸鈣原材料 2 的 TG 曲線 ( 30 ～ 750 ℃ ，750 ℃恒 溫 20 min)

2. 2、對滑石粉、玻纖和聚丙烯進行 TG 分析

圖 5 滑石粉的 TG 曲線圖

圖 6    玻纖的 TG 曲線圖

圖 7 聚丙烯的 TG 曲線圖

利用 TGA 對滑石粉、玻纖、聚丙烯原材料進行TG 分析，升溫速率 20 ℃ / min，升溫階段溫度范圍為 30 ～ 750 ℃ ，恒溫階段 750 ℃ ，時間 20 min，得到TG 分析曲線。從圖 5、6 中可以看出，在該實驗條件下，滑石粉和玻纖的失重比例均小于 1%，相比碳酸鈣失重比例 44%，失重較小; 另外從聚丙烯的失重曲線 ( 圖 7) 來看，失重比例為 100. 03%，表示完全失重，說明聚丙烯完全分解。

2. 3、對碳酸鈣改性聚丙烯及碳酸鈣和玻纖改性聚丙烯進行 TG 分析

圖 8 碳酸鈣改性聚丙烯的 TG 曲線圖

表 1 碳酸鈣改性聚丙烯的 TG 分析的重復性數據

圖 9 碳酸鈣和玻纖改性聚丙烯的 TG 曲線圖

表 2 碳酸鈣和玻纖改性聚丙烯的 TG 分析的重復性數據

利用 TGA 對碳酸鈣改性聚丙烯、碳酸鈣和玻纖改性聚丙烯進行熱重分析，升溫速率 20 ℃ / min，升溫階段溫度范圍為 30 ～ 750 ℃ ，恒溫階段 750 ℃ ，時間 20 min，得到的 TG 分析曲線見圖 8 和圖 9。根據前面對聚丙烯的熱重分析可知，在 650 ℃ 前已分解完全，故 690 ～ 750 ℃ 之間及 750 ℃ 下的恒溫段形成的失重平臺為碳酸鈣分解后二氧化碳損失產生，因此根  據二氧化碳的失重量，可以推算碳酸鈣的填充質量分 數。另外也進行了重復性試驗，驗證方法的穩定性， 具體數據見表 1 和表 2，根據表中的數據可知，相對偏差范圍均小于 10%，說明該方法用來測試碳酸鈣改性聚丙烯及碳酸鈣和玻纖改性聚丙烯中的碳酸鈣質 量分數重復性較好。

2. 4、對滑石粉、碳酸鈣和玻纖改性聚丙烯進行 TG分析

圖 10 滑石粉、碳酸鈣和玻纖改性聚丙烯的 TG 曲線圖

表 3 滑石粉、碳酸鈣和玻纖改性聚丙烯的 TG 分析的重復性數據

利用 TGA 對碳酸鈣、滑石粉和玻纖改性聚丙烯進行熱重分析，升溫速率 20 ℃ / min，升溫階段溫度范圍為 30 ～ 750 ℃ ，恒溫階段 750 ℃ ，時間 20 min， 得到的TG 分析曲線見圖 10。根據前面對滑石粉、玻纖、聚丙烯的熱重分析研究可知，玻纖和滑石粉在 30 ～ 750 ℃ 及 750 ℃ 恒溫 20 min 條件下失重小于 1%， 對碳酸鈣的分析影響較小，另外聚丙烯在 650 ℃ 前已分解完全，故 690 ～ 750 ℃ 之間及 750 ℃ 下的恒溫段形成的失重平臺為碳酸鈣分解后二氧化碳損失的平 臺，因此根據二氧化碳的失重量，可以推算碳酸鈣的填充質量分數。另外也進行了重復性試驗，驗證方法的穩定性，數據見表 3，根據表中的數據可知，偏差范圍均小于 10%，說明該方法用來測試較低含量的碳酸鈣質量分數重復性較好。

3、結論

本文首先利用熱重分析儀 ( TGA ) 對碳酸鈣進行分析，找到并優化了碳酸鈣的完全分解的試驗條件，并驗證了碳酸鈣定量的機理; 利用優化的試驗條件對玻纖、滑石粉及聚丙烯原材料進行熱重分析，結果表明滑石粉及玻纖在優化的條件下失重比例較小， 聚丙烯可以分解完全; 上述三種物質對碳酸鈣的定量影響較小，以上結果證明定量分析方法的可行性。最后利用 TGA 對碳酸鈣單一改性和復雜改性聚丙烯材料進行了碳酸鈣定量分析測試，經過重復性試驗和數據分析可知，該方法可以準確、快速、環保地完成不  同體系中碳酸鈣質量分數的測定。