TG-FTIR联用分析技术——多领域定量定性研究方案

在分析测试领域，有时只使用一种测试技术进行测试，不足以获得良好的测试结果，所以测试者们尝试使用两种或两种以上的测试方法对样品进行共同测试，以便取得更准确的测试结果。将两种或多种的技术方法结合起来，我们称为联用。

热重分析与红外光谱（TG-FTIR）联用

热重分析(TGA)是一种在温度和特定气候下，样本质量与温度或时间之间关系的技术。然而，TGA本身不是一种识别技术，我们很难确定在热重试验中释放的气体产物的性质。

红外光谱（FTIR）是研究分子结构的有效方法，其原理是通过物质分子振动-转动能量跃迁引起的红外特征吸收转化成光谱。与其他表征测试方法相比，具有操作过程简单和测试样本限制较少的优势。如今红外光谱已成为公认的分析工具，广泛应用于对结构化学、材料化学、物理化学、生物化学等领域的分析测量。

现代技术的发展使红外光谱超越了简单的样品测试阶段以及推断分子结构阶段。傅里叶红外光谱技术固体原位反应技术、快速热裂反应技术和热分析技术联用，可分别对有机化合物受热分解过程中凝聚相中间产物，最终产物和气相产物进行监测追踪，及其生成的相应温度范围和温度点，可以得出试验材料的热解详细过程和准确的热解产物报告，有助于研究材料的热解机制和确定热解过程的基本反应。

由于TG分析法只能提供高温分解温度、热失重分数，而挥发性气体成分无法定性。因此，热重分析(TGA)与傅里叶变换的红外光谱仪(FT-IR)相结合，无疑会为研究材料热解过程提供更全面、更有效的定量和定性分析工具。将热重分析与傅里叶变换的红外线分光仪相结合的仪器是称作热重红外联用仪（TG-IR）。

图1 INVENIO FT-IR光谱仪和NETZSCH热分析仪联用

热重-红外联用仪的工作原理：

TG-FTIR通过扫气(通常为氮或空气)将热失重进程中产生的挥发分或分解产物，通过恒定温度(通常为200至250℃)金属管道和玻璃气体池，经这个特殊的连接装置,将挥发分解产物引入红外光路中，通过红外检测，分析散逸气体成分结构。

图2 热重红外联用仪的结构示意图

TG-FTIR的具体应用案例

在web of science的数据库中我们发现，近两年来，来自中国科学技术大学、四川大学、北京理工大学、华南理工大学、天津工业大学、青岛科技大学、中北大学等几十所高校的学者们都有使用到TG-FTIR测试，且应用范围也比较广泛，尤其是在高分子材料应用领域。曾有研究人员使用热重-单滴微萃取-气相色谱-质谱联用系统和傅里叶变换红外光谱分析了咖啡酸在氮气氛围下的热解行为，并使用FTIR研究了咖啡酸在各失重点固体剩余物特征官能团的变化情况（图3和图4）。

图3 咖啡酸热解的热重分析(TG)、微商热重(DTG)、差热(DTA)曲线

实验表明，咖啡酸热失重主要是因为在240～360℃有大量的邻苯二酚产生，而在200～220℃有4-乙基邻苯二酚热解产生。另外，在230℃下咖啡酸已裂解完全。将腐植酸(HA)羟甲基化后与脲醛树脂(UF)以1∶4质量比混合，制得腐植酸-脲醛树脂(HUF)。TG-IR显示HUF与UF的红外曲线基本相同，但前者的IR特征峰强度偏强，且TG峰向高温区移动，这说明HUF耐热性增强但原有结构并无较大变化。而且HUF价格低廉且环保，具有良好的市场竞争力。

图4 不同温度段逸出组分的总离子流色谱图

TG-IR技术还适用于所有领域，如稻壳、植物纤维、垃圾燃料和医疗药品热分析研究。姚通林等在研究稻壳的热分解时观察到，升温速度对稻壳的热分解影响不大，升温速度越慢，热分解越充分，挥发越多，热分解产生的残留物越少。

比如说，对处于N₂和CO₂背景下谷壳做热解反应，实验表明，主要失重阶段高温220~600℃，热解特性相似；800℃，热重曲线差异较大。主要气体产物在240~600℃析出,有H2O、CO、CH4、CxHy(x<1)和有机碳水化合物。由于谷壳气化过程中会发生二氧化碳重整甲烷反应，所以H2O和CO₂峰会是双峰。

总结

TGA - FTIR联用技术因其结合了热分析和红外光谱分析方法的优点而受到更多人的关注；同时这一分析手段也日趋成熟并且被广泛应用于各个领域，研究对象也越来越复杂。TGA - FTIR联用技术的优点可总结如下：(1)利用TGA - FTIR联用技术可以快速、直观地分析聚合物及其助剂热分解产物的结构及分解机理，进而推断出有效逸出气的作用机理，为有害逸出气的防范提供参考依据。(2) TGA-FTIR联用技术可作为一种辅助手段，根据逸出气体成分推测试样的组成，尤其是对于多种组分混合、红外谱图叠加难以区分的情形。(3)由于测试条件对TGA - FTIR 联用测试结果影响很大，应注意试验条件的优化，以避免导致错误的判断。