微观方法分析材料热分解机理

微观方法主要分析材料受热和燃烧过程中结构和成分的变化，这类方法是在聚合物热稳定性研究中早已应用且比较成熟的方法。由于热分解过程是聚合物产生可燃性挥发物的第一个基本过程，以热重分析法和差示扫描量热法为主的热分析方法在聚合物材料的燃烧研究中已得到广泛的应用。

TG（热量分析）法以等温加热或以恒定升温速率加热样品材料，观察在恒温条件下加热或在一定加热速率条件下加热样品时的失重行为和规律，所得结果简便、直观，可以帮助分析和判断材料产生可燃性物质挥发的速率、加热速率、温度、环境条件对材料热分解过程的影响，对材料热分解和燃烧特性研究有一定帮助。更重要的是可以帮助理解热分解的微观过程和机理，既可研究材料燃烧过程中的热分解动力学、发展模拟模型，也可通过裂解机理研究阻燃性能的途径和方法。DSC 法也可用于研究材料热分解动力学。不过，DSC 通常主要是研究在等温或一定加热速率下加热时，材料的热效应变化，帮助分析材料在受热过程中与热效应相关联的热分解行为机理，如分解吸热或放热过程，可用于热分解机理的分析和燃烧过程影响的研究等。

图7－1A 和B 为使用Fe－石墨烯（Fe－graphene，IG）改性TPU 的TG 和DTG 曲线，从图7－1 中可以看出，与纯TPU 相比，IG 阻燃改性TPU 的残炭量有明显升高，同时其最大热分解速率显著降低。显然，在TG 的测试结果中，聚合物的质量损失越大，热解速率越高，生成的可燃气体就越多，表明材料就越易燃烧。

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图7-1　TPU 及IG 改性TPU 的TG 和DTG 曲线

（a）TG 曲线；（b）DTG 曲线图中TPU／IG－0.125、TPU／IG－0.25、TPU／IG－0.5、TPU／IG－1 分别表示IG 用量占复合材料总质量的0.125%、0.25%、0.5%和1%。

此外，TPU 在分解时既存在吸热也存在放热。虽然其分解热效应一般很小，但如果在热解过程中显著放热，则会促进聚合物分解，不利于TPU 的阻燃。相反，如果分解过程吸热效应明显则有利于TPU 的阻燃。为了详细分析TPU 在热分解过程中具体的热效应，则可以通过DSC 进行分析。

虽然TG 和DSC 法常用来研究聚合物的热解和燃烧过程，但TG 和DSC 等传统热分析方法不能提供火灾燃烧的真实条件，研究结果不可直接用于材料燃烧与火灾过程分析，只可作为材料燃烧与阻燃研究的一种辅助试验分析方法。此外，TG 和DSC 试验的样品尺寸很小，一般只有零点几毫克到十几毫克之间，而且一般是粉末或颗粒状。由于试验设计假定样品受热是均匀的，而聚合物是不良导热体，而且样品尺寸越大，试验结果与实际火灾时TPU 的表现之间误差越大。燃烧过程中的实际样品面积都很大，即使是小型燃烧试验的样品也比热分析样品大得多，而且实际燃烧一般是在材料的表面燃烧，这样样品内部靠近表面处有很大的温度梯度，热量传导过程中的显著区别，有可能会导致测试结果出现差异。而且热分析方法使用的热源与燃烧过程不同，这也会带来很大影响，因此传统热分析方法的测试结果不能直接用于TPU 材料在燃烧状态下热分解行为与机理的分析。