熱分析技術(shù)在橡膠行業(yè)的應(yīng)用

熱分析技術(shù)是表征材料的性質(zhì)與溫度關(guān)系的一組技術(shù)，它在定性、定量表征材料的熱性能、物理性能、機(jī)械性能以及穩(wěn)定性等方面有著廣泛地應(yīng)用，對于材料的研究開發(fā)和生產(chǎn)中的質(zhì)量控制都具有很重要的實(shí)際意義。目前熱分析技術(shù)在橡膠材料的研究開發(fā)和質(zhì)量控制中愈來愈成為不可或缺的重要手段之一。

一、常見的熱分析方法包括以下幾項(xiàng)：

1、DSC是在程序控制溫度下，測量樣品的熱流隨溫度或時(shí)間變化而變化的技術(shù)。因此，利用此技術(shù)，可以對樣品的熱效應(yīng)，如熔融、固－固轉(zhuǎn)變、化學(xué)反應(yīng)等，進(jìn)行研究。

2、TGA是在一定的氣氛中，測量樣品的質(zhì)量隨溫度或時(shí)間變化而變化的技術(shù)，利用此技術(shù)可以研究諸如揮發(fā)或降解等伴隨有質(zhì)量變化的過程。如果采用TGA-MS或TGA-FTIR的聯(lián)用技術(shù)，還可以對揮發(fā)出的氣體進(jìn)行分析，從而得到更加全面和準(zhǔn)確的信息。

3、TMA可以測量樣品在一定應(yīng)力下的位移變化。利用DMA，則可以在很寬的頻率范圍內(nèi)，對材料的粘彈性進(jìn)行研究，從而得到材料的機(jī)械模量和阻尼行為。

目前熱分析技術(shù)在橡膠材料的研究開發(fā)和質(zhì)量控制中愈來愈成為不可或缺的重要手段之一。

二、熱分析技術(shù)對于橡膠材料可提供如下性能指標(biāo)的測試：

DSC

TGA

TMA

DMA

玻璃化轉(zhuǎn)變

組成分析

熱穩(wěn)定性，氧化穩(wěn)定性，降解

粘彈性能，彈性模量

阻尼行為

填充劑含量，炭黑含量

蒸發(fā)，汽化，吸附，解吸

軟化溫度

膨脹，收縮，溶劑中的溶化

硫化

熔融，結(jié)晶

反應(yīng)焓

添加劑的表征

三、應(yīng)用介紹：

1、利用TGA進(jìn)行組成分析
TGA經(jīng)常用來進(jìn)行組成分析，利用它，可以觀察樣品由于蒸發(fā)、高溫分解、燃燒等引起的重量變化。失重臺階的大小與揮發(fā)組分（如增塑劑、溶劑等）和分解產(chǎn)物的含量直接相關(guān)。在對橡膠進(jìn)行分析時(shí)，當(dāng)聚合物高溫分解后，把氣氛從惰性氣氛變化為氧化氣氛，炭黑就會燃燒，在殘?jiān)芯褪Ｓ嗔藷o機(jī)物和灰燼。對于高聚物的混合物，如果各組分的分解溫度范圍不同的話，則可以利用TGA來確定各個(gè)組分的含量。下圖所示為幾種的包含有天然橡膠的彈性體，第二聚合物組分分別為EPDM(A)，BR(B)或SBR(C)。從TGA曲線的失重臺階上，可以清楚的看到各組分的含量，其中（1）為揮發(fā)性組分，（2）為天然橡膠（NR），（3）為相應(yīng)的第二聚合物組分，（4）為炭黑。殘?jiān)袨闊o機(jī)化合物。由此曲線分析得到的結(jié)果與理論值非常吻合。

2、利用DSC進(jìn)行聚合物的鑒別
如果在高聚物的混合物中，各個(gè)組分的高溫分解溫度相近，那么用TGA進(jìn)行分析時(shí)，就只能得到總的聚合物的含量而不能將各個(gè)組分區(qū)分開了。但是，借助DSC，就可以根據(jù)它們玻璃化轉(zhuǎn)變的不同而對各組分加以區(qū)分。玻璃化轉(zhuǎn)變溫度Tg表征了聚合物的類型，而玻璃化轉(zhuǎn)變臺階的高度△Cp則反映了聚合物的含量。例如，對于NBR/CR混合物，CR和NBR的玻璃化轉(zhuǎn)變可以清楚的分離開來。臺階高度的比例約為1:1，這與方程式中24.4%含量的NBR和24.4%含量的CR的理論結(jié)果相當(dāng)一致。從結(jié)果分析中可以看出，對于其他彈性體的結(jié)果分析不是很，這是因?yàn)榈诙€(gè)玻璃化轉(zhuǎn)變峰與焓松弛峰或熔融峰重疊的緣故。

3、利用DMA進(jìn)行機(jī)械性能分析
DMA可以為我們提供材料的宏觀粘彈行為和微觀性能。這可以用下面的不同硫化度的SBR來進(jìn)行說明。在玻璃化轉(zhuǎn)變過程中，貯存模量G’下降約3個(gè)數(shù)量級，而損耗模量G’’則呈現(xiàn)出一個(gè)峰。隨著硫化度的增加，玻璃化轉(zhuǎn)變移向較高的溫度。在材料處于橡膠態(tài)時(shí)，G’依賴于硫化度的大小。由于粘性流動，隨著溫度的升高，硫化度比較小的SBR1的貯存模量G’減小。在交聯(lián)密度比較高時(shí)，G’隨著溫度線性增大。由此，我們就可以根據(jù)材料在橡膠態(tài)時(shí)的模量來確定它的交聯(lián)密度，其交聯(lián)密度k可以根據(jù)等式k=G/(2RTρ)進(jìn)行估算。經(jīng)計(jì)算得到，SBR3的交聯(lián)密度為1.07×10-4mol/g，SBR4的交聯(lián)密度為2.03×10-4mol/g。這兩個(gè)數(shù)值的比值與二種材料中硫含量的比值一致。
4、利用真空條件下的TGA測試來進(jìn)行峰的分離
有時(shí)候，增塑劑的蒸發(fā)與聚合物的分解會彼此重疊。在這種情況下，在較低的壓力（真空）下進(jìn)行TGA測試，往往可以使兩個(gè)過程得到較好的分離，這當(dāng)然就相應(yīng)的增加了結(jié)果分析的準(zhǔn)確性。

5、利用TMDSC增加測試準(zhǔn)確度
利用溫度調(diào)制DSC(TMDSC)技術(shù)可以得到更加準(zhǔn)確的結(jié)果。使用此技術(shù)后，焓的松弛效應(yīng)以及熔融過程對測得的熱容曲線的影響明顯減小。
利用TMDSC方法對NR/SBR和EPDM/SBR混合物進(jìn)行了測試，通過對所得曲線的分析，可以看出△Cp的比值與組分中的實(shí)際值一致。

6、利用DMA進(jìn)行蠕變性能測試
利用DMA測試，可以了解聚合物與添加劑之間的相互作用，并且可以看出材料的應(yīng)力與應(yīng)變之間保持線性關(guān)系的范圍。
我們對不同炭黑添加量的EPDM彈性體在橡膠態(tài)時(shí)的性能進(jìn)行了測試。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，未用炭黑填充的EPDM的貯存模量為0.5Mpa，并且這個(gè)值不隨著位移振幅的變化而變化。而隨著炭黑含量增大，其模量也增大。但是，對于同一炭黑含量的樣品來說，當(dāng)剪切位移的振幅增大時(shí)，其模量減小，因此其應(yīng)力與應(yīng)變曲線之間就呈現(xiàn)出非線性的關(guān)系，這是由于炭黑簇的可逆性破壞造成的。
四、結(jié)論：
熱分析技術(shù)能為表征材料的性能提供十分全面 、有用的信息：對于日常的質(zhì)量控制和保證，單獨(dú)的質(zhì)量技術(shù)指標(biāo)的控制可以選擇單獨(dú)的熱分析技術(shù)就可以完成；而對于材料的研究開發(fā)則需要綜合運(yùn)用多種熱分析技術(shù)，對材料的性能進(jìn)行全面的研究和評估。

審核編輯 黃宇