使用Pyris 1热重分析仪表征批量生产 的单壁碳纳米管产品

前言：单壁碳纳米管（SWCNTs）被用于高分子基体材料中时可赋 予材料*的机械、热和电性能1。由于其高导电性能和大 表面积的特性而被用于制备导电高分子复合物、薄膜、改进 型锂离子电池和超级电容。*的光学性能使其可用作显示 器、太阳能电池和新兴固态照明技术的电极。有些SWCNT 品种具有半导体特性而适用于逻辑器件、非易失性存储单 元、传感器和防盗标签领域2。制造SWCNT的不同方法得到 的是碳同素异形体和其它生产产品的混合物。热重分析仪 （TGA）已被证明是一种表征这类混合物的有用工具，这种 方法通过在空气气氛下以5˚C/min的加热速度来分析样品的 重量损失3。本技术文献根据ISO/TS协议11308: 2011-(E)1用 PyrisTM 1 TGA来进行这类SWCNT批量生产产品的实验。虽 然采用了该协议，但在这篇简短的文献中并未对所有的步骤 进行讨论。

分析仪：样品和天平的泵气入口都被连接到一个干燥箱上，高纯度 的瓶装空气生成泵速约为80 cc/min的气流。根据协议中所 提供的标准该流速条件是适宜的。炉体中悬挂样品盘的 吊丝选用镍镉合金，其能提供测试条件下的*重力分析 性能。TGA用小片的纯铝镍合金、镍、Perk合金和铁在2度的 范围内进行温度校正，当样品在空气气氛下以5˚C/min的速 度被加热时，在外加磁场存在的条件下标样居里点的确切温 度得以被测定出来。

样品制备：被分析的样品为Carbon Solutions Inc公司生产的单壁碳 纳米管。该材料为不同尺寸和形状的“颗粒”组成的大表 面积、松散的黑色材料。很小的空间就可以有效容纳这种 颗粒。个挑战是在TGA样品盘中容纳足够质量的样 品——规定至少要有3mg的样品。在采用兼容自动进样器 的陶瓷和铂金样品盘都满足要求并给出相似结果的情况 下，铂金样品盘被发现更易于装载样品并适度的压缩样品 而不使其样品盘的外面。在装入SWCNT之前，样品盘分别 在TGA和PerkinElmer的AD6微天平上进行了皮重称量。通 过使用一个切掉了枪头和针管多余部分的塑料注射器，样 品材料的装填变得更为便利。注射器枪头部分的外径和样 品盘的外径相匹配。不锈钢圆棒被用于压样品使其通过针 筒的前端并适当地压缩样品。当加样品时，铂金盘的铂金挂 丝暂时被拨到铂金盘的侧面（使用陶瓷样品盘时不可能进 行这样的操作）。没有自动进样器时，装填好样品的样品盘 被手动挂到热重分析仪（TGA）的吊丝上，炉体（设置在20˚C）上升、系统 平衡后，可称量得到样品的质量。样品在干燥的吹扫气中进 行平衡时，其明显出现微克级的重量损失。

温度程序和基线 ：加热温度梯度自室温开始并升温至90 0 ˚C。因为分析 SWCNT样品时其在每个温度下的重量损失速率可测，所以 在900˚C采用一个等温过程，以使在一定程度上质量和受 压缩程度不同的样品达到一个更具有重复性的平衡质量损 失。具有代表性的样品和基线扫描为以时间为X轴的图3所 示。由图可看出在900˚C的保温时间到达之后马上进行直至 室温的快速降温扫描，样品仍在样品盘中并停留在实验开 始时的位置。这使得实验以后的样品质量与其初始称重时 的质量能在相同的条件下得到确认。为了获得一条平均的 基线校正和不确定性的测定，除了四个样品扫描外还对四 个空样品盘基线进行了扫描。

计算：样品的重量由加样后1分钟时的重量来作为近似值。空气氧 化后的重量取900˚C保温10分钟后的值，并且样品冷却到实 验开始温度时其重量再次被称量。除了开始温度扫描1分钟 时的质量为零以外，空样品盘基线扫描也进行相似的重量 记录。根据协议，由于被认为是例如催化剂的氧化副反应过 程，样品在120˚C以上的失重也被记录下来以便用于数据的 校正。用四条基线的平均值来校正样品测量数据的基线效 应。虽然校正数值（约为0.1%）与测量误差在同一数量级， 但被报告的数据仍列出了经过和没有经过特定校正值。 除了测定各种类型碳的失重百分比以外，协议也要求测试主 体成分的热稳定性，也就是测定失重曲线对温度求导的主 要峰和微分曲线中峰的总数。

结果与讨论：下表列出了四种大于3毫克临界值的样品平行测定的分析结 果。详细数据列于附表中。数据图如图4所示。测试的重现性 与其它采用重量烧失法的热重分析结果一致。测试结果表 明样品为含约33.3%的残重物和66.7%碳的至少两类物质 的材料。微分曲线中的峰表明SWCNT和另一种碳品种之间在氧化 反应方面存在动力学上的差异。用峰分辨率的计算结果 和纯组分的氧化数据可能能用于估算SWCNT的产率。在 600˚C左右的肩峰可能来自催化剂残余物的化学改变4。