热重分析仪 ( TGA ) 是测试样品材料在特定温度条件下的质量变化情形的仪器。当被测物质在加热过程中有升华、汽化、分解出气体或失去结晶水时，被测的物质质量就会发生变化。热重分析法具有操作简便、灵敏、速度快、所需试样量少的特点，已被广泛地应用在聚合物组分研究中。热重分析仪可以连续记录质量与温度变化关系; 对于聚合物的组分可以实现材料的裂解温度、成分比例等特性研究。

填充改性聚丙烯具有价格低、密度低、拉伸强度高等优点而广泛应用于汽车、家电、建筑、包装等行业; 且填充改性趋势从单一矿物填充体系向多组分填充方向发展; 其中碳酸钙是填充改性聚丙烯材料中常用的无机填料，而且填充质量分数较高，质量分数一般大于10%; 填料质量分数的测试一般采用烧灰分的方法，但由于碳酸钙在高温条件下分解残留的质量不能准确反映填料的比例，尤其和其他填料一起填充改性时，对于碳酸钙的定量分析更加困难， 因此对于复杂的碳酸钙填充体系中碳酸钙的定量分析成为紧迫的需要; 另外随着塑料再生的需求增多，对于废旧塑料中碳酸钙质量分数的准确分析，有利于材料的分类处理及回收，提高回收利用的效率。

本文利用 TGA 对碳酸钙原材料进行分解温度研究，通过优化定量分析条件，并在此条件下研究了滑石粉、玻纤、聚丙烯的失重情况; 由于聚丙烯可分解完全; 而碳酸钙的失重比例恰好是二氧化碳的损失量。并对单一碳酸钙改性聚丙烯、碳酸钙和玻纤改性聚丙烯及滑石粉、碳酸钙、玻纤改性聚丙烯进行了定量分析，经过重复性试验验证，发现具有准确性好、分析效率高、环保性好等优点; 结果表明利用TGA 可以快速、准确完成单一碳酸钙改性聚丙烯和复杂填充聚丙烯中碳酸钙的定量分析。

1、 实验部分

1.1、定量分析原理

碳 酸 钙 在 分 解 过 程 中 会 产 生 二 氧 化 碳 气体，利用二氧化碳损失的质量比例，进行碳酸钙的定量分析，分解式见下:

1.2、测试方法

通过TGA 对碳酸钙、玻纤、滑石粉、聚丙烯原材料及碳酸钙改性聚丙烯、碳酸钙和玻纤改性聚丙烯、碳酸钙/ 滑石粉/ 玻纤改性聚丙烯进行热重 ( TG) 分析。

测试条件 1: 氮气气氛，氮气流量 20 mL / min， 以 20 ℃ / min 升温速率升至 750 ℃ 。

测试条件 2: 氮气气氛，氮气流量 20  mL / min，以20 ℃ / min 升温速率升至 750 ℃，750 ℃下恒温 20 min。

2、结果与讨论

2.1、对碳酸钙进行 TG 分析及测试条件的优化

利用 TGA 对碳酸钙进行热重分析，升温速率 20显分解，750 ℃ 时碳酸钙原材料 1 残留质量 92. 06%， 说明碳酸钙原材料 1 还未分解完全。利用同等条件研究碳酸钙原材料 2，由 TG 曲线可知，残留质量为89. 5%，同样说明此实验条件下进行 TG 分析 ( 见图2) ，实验结束时，碳酸钙还未分解完全。为了使碳酸钙充分分解，分别在 750 ℃ 条件下进行了 10、20 min 两个时间段下的恒温失重研究，见图 3 ～ 图 4，结果表明: 在 750 ℃ 条件下，恒温 20 min，可以使碳酸钙完全分解，且失重比例为 44%，与碳酸钙完全分解的失重比例相一致。

图 1   碳酸钙原材料 1 的 TG 曲线  ( 30 ～ 750 ℃ )

图 2   碳酸钙原材料 2 的 TG 曲线  ( 30 ～ 750 ℃ )

图 3 碳酸钙原材料 2 的 TG 曲线 ( 30 ～ 750 ℃ ，750 ℃恒 温 10 min)

图 4 碳酸钙原材料 2 的 TG 曲线 ( 30 ～ 750 ℃ ，750 ℃恒 温 20 min)

2. 2、对滑石粉、玻纤和聚丙烯进行 TG 分析

图 5 滑石粉的 TG 曲线图

图 6    玻纤的 TG 曲线图

图 7 聚丙烯的 TG 曲线图

利用 TGA 对滑石粉、玻纤、聚丙烯原材料进行TG 分析，升温速率 20 ℃ / min，升温阶段温度范围为 30 ～ 750 ℃ ，恒温阶段 750 ℃ ，时间 20 min，得到TG 分析曲线。从图 5、6 中可以看出，在该实验条件下，滑石粉和玻纤的失重比例均小于 1%，相比碳酸钙失重比例 44%，失重较小; 另外从聚丙烯的失重曲线 ( 图 7) 来看，失重比例为 100. 03%，表示完全失重，说明聚丙烯完全分解。

2. 3、对碳酸钙改性聚丙烯及碳酸钙和玻纤改性聚丙烯进行 TG 分析

图 8 碳酸钙改性聚丙烯的 TG 曲线图

表 1 碳酸钙改性聚丙烯的 TG 分析的重复性数据

图 9 碳酸钙和玻纤改性聚丙烯的 TG 曲线图

表 2 碳酸钙和玻纤改性聚丙烯的 TG 分析的重复性数据

利用 TGA 对碳酸钙改性聚丙烯、碳酸钙和玻纤改性聚丙烯进行热重分析，升温速率 20 ℃ / min，升温阶段温度范围为 30 ～ 750 ℃ ，恒温阶段 750 ℃ ，时间 20 min，得到的 TG 分析曲线见图 8 和图 9。根据前面对聚丙烯的热重分析可知，在 650 ℃ 前已分解完全，故 690 ～ 750 ℃ 之间及 750 ℃ 下的恒温段形成的失重平台为碳酸钙分解后二氧化碳损失产生，因此根  据二氧化碳的失重量，可以推算碳酸钙的填充质量分 数。另外也进行了重复性试验，验证方法的稳定性， 具体数据见表 1 和表 2，根据表中的数据可知，相对偏差范围均小于 10%，说明该方法用来测试碳酸钙改性聚丙烯及碳酸钙和玻纤改性聚丙烯中的碳酸钙质 量分数重复性较好。

2. 4、对滑石粉、碳酸钙和玻纤改性聚丙烯进行 TG分析

图 10 滑石粉、碳酸钙和玻纤改性聚丙烯的 TG 曲线图

表 3 滑石粉、碳酸钙和玻纤改性聚丙烯的 TG 分析的重复性数据

利用 TGA 对碳酸钙、滑石粉和玻纤改性聚丙烯进行热重分析，升温速率 20 ℃ / min，升温阶段温度范围为 30 ～ 750 ℃ ，恒温阶段 750 ℃ ，时间 20 min， 得到的TG 分析曲线见图 10。根据前面对滑石粉、玻纤、聚丙烯的热重分析研究可知，玻纤和滑石粉在 30 ～ 750 ℃ 及 750 ℃ 恒温 20 min 条件下失重小于 1%， 对碳酸钙的分析影响较小，另外聚丙烯在 650 ℃ 前已分解完全，故 690 ～ 750 ℃ 之间及 750 ℃ 下的恒温段形成的失重平台为碳酸钙分解后二氧化碳损失的平 台，因此根据二氧化碳的失重量，可以推算碳酸钙的填充质量分数。另外也进行了重复性试验，验证方法的稳定性，数据见表 3，根据表中的数据可知，偏差范围均小于 10%，说明该方法用来测试较低含量的碳酸钙质量分数重复性较好。

3、结论

本文首先利用热重分析仪 ( TGA ) 对碳酸钙进行分析，找到并优化了碳酸钙的完全分解的试验条件，并验证了碳酸钙定量的机理; 利用优化的试验条件对玻纤、滑石粉及聚丙烯原材料进行热重分析，结果表明滑石粉及玻纤在优化的条件下失重比例较小， 聚丙烯可以分解完全; 上述三种物质对碳酸钙的定量影响较小，以上结果证明定量分析方法的可行性。最后利用 TGA 对碳酸钙单一改性和复杂改性聚丙烯材料进行了碳酸钙定量分析测试，经过重复性试验和数据分析可知，该方法可以准确、快速、环保地完成不  同体系中碳酸钙质量分数的测定。