一种碳纤维中含碳量的热失重测定方法与流程

1.本发明涉及材料测试领域，具体涉及一种碳纤维中含碳量的热失重测定方法。


背景技术：

2.含碳量是碳纤维的一个重要性能指标，含碳量的高低会对碳纤维的结构及性能产生重要影响。鉴于含碳量对于碳纤维性能的重要性，如何精确测试碳纤维的含碳量成为领域内十分关注的话题。然而，由于碳纤维属于微晶石墨材料，含碳量高且性能稳定，因此碳纤维中含碳量的测试是一个技术难题。
3.目前，碳纤维中含碳量的测试方法主要包括燃烧吸收法、元素分析仪法、高频红外碳硫分析仪法。为了规范碳纤维含碳量的测试方法、统一测试标准，提高碳纤维含碳量检测试的准确性及可比性，国家先后出台了高频红外碳硫分析仪法的行业标准（hs/t29-2010），燃烧吸收法的国家标准（gb/t 31292-2014），以及元素分析仪法的国家标准（gb/t 26752-2020）。
4.上述方法虽然在实践中得到了广泛应用，但存在的缺陷也是显而易见的，燃烧吸收法是将样品在管式炉中燃烧，用吸收剂吸收产生的二氧化碳得到碳含量，该方法存在的主要技术问题是燃烧-吸收系统填充联接复杂、测试步骤繁琐、影响因素多以及测试结果稳定性差。而高频红外碳硫分析仪法和元素分析仪法是相对测定的方法，主要依据物质的量与信号成正比的原理，用量值准确已知的标准物质建立工作曲线完成对待测样品的测定。这两种方法在使用过程中均离不开相关的标准物质，标准物质的选取对测量结果有较大影响，但目前结构相近、高碳基体标准物质缺少，使得该类材料碳含量的测定存在数据不一致问题。
5.整体上，目前碳纤维含碳量的测试数据普遍呈现数据分散性大、测试数据一致性差、测试精度不高的问题。
6.热失重法（thermogravimetry analysis, 简称tg或tga）是在程序控温下，测量物质的质量随温度或时间的变化关系的一种热分析方法，将物质的质量变化和温度变化的信息记录下来，就得到了物质的质量温度曲线，即热重曲线（tg曲线）。热失重法在化学化工、冶金、地质、物理、建材等诸多领域均得到了广泛应用，广泛用于测定无机物、有机物的物理变化（例如晶型转变、升华、吸附等）和化学变化（例如脱水、分解、氧化和还原等）。热失重分析法不仅用于定性分析，还用于定量分析，目前主要用于测定水分含量、挥发组分及各种添加剂或填充剂的含量等领域。例如，李康等人研究了热失重法在测定碳纤维复合材料树脂含量方面的应用（李康、等，热失重法测定碳纤维复合材料树脂含量，纤维复合材料，2020年8月，30-33.）。然而，热失重法用于测定碳纤维的含碳量未见有报道。
7.

技术实现要素：

8.本发明针对现有技术存在的碳纤维含碳量测试存在的数据分散性大、测试数据一
致性差、测试精度不高的问题，提供一种碳纤维中含碳量的热失重测定方法。
9.为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案如下：碳纤维在工作气氛下升温发生热解，其中碳元素以二氧化碳的形式释放，通过称重测量得到的即是碳纤维中碳元素的绝对质量，并进而求出碳纤维的含碳量，实现本发明目的。
10.本发明涉及的一种碳纤维中含碳量的热失重测定方法，包括如下步骤：步骤（1）：载样陶瓷坩埚预处理：将载样陶瓷坩埚置于热重分析仪中，并在不低于850℃的条件下烧蚀清除载样陶瓷坩埚表面的污染物，冷却后称量空坩埚质量，记为m0；步骤（2）：碳纤维预处理：去除碳纤维表面的浆剂，然后将碳纤维制成长度小于1mm的试样粉末，并在80℃下干燥一段时间后备用；步骤（3）：样品的称量及测定：称取质量为m1的处理碳纤维置于质量为m0载样陶瓷坩埚中，并将载样陶瓷坩埚安置于热重分析仪中；在工作气氛下，气体流速20-60ml/min，启动升温程序：将温度从室温升至810-950℃升温速率为5-15℃/min，温度升至设定温度后，恒温保持10-20min，使碳纤维被充分烧蚀分解，待冷却至室温后，称量载样陶瓷坩埚及样品剩余整体的质量，记为m2；步骤（4）：计算碳纤维中碳元素的绝对含量 m
1-（m2‑ꢀ
m0）；步骤（5）：计算碳纤维的含碳量wc=[m
1-（m2‑ꢀ
m0）]/ m1×
100%。
[0011]
优选的，步骤（3）中所述的工作气氛为氧气气氛或空气气氛。优选的气体流速为40-50ml/min，进一步优选的气体流速为40 ml/min。
[0012]
优选的，步骤（3）中将温度从室温升至810-900℃，进一步优选的，将温度从室温升至850℃。
[0013]
优选的，步骤（3）中的升温速率为10-15℃/min，进一步优选的，升温速率为10℃/min。
[0014]
优选的，步骤（3）中恒温保持10-18min，进一步优选的，恒温保持15min。
[0015]
本发明的技术效果：本发明利用热失重分析法的基本原理，通过程序升温的方式使碳纤维发生完全的热解，进而求出含碳量，方法简单易行，操作工序简单，不需要借助标准物质绘制工作曲线，大大提高了测定效率；含碳量由碳元素的绝对质量与碳纤维的绝对质量比直接得出，溯源性明确，排除了其他测量因素的影响，具有测量精度高，数据一致性强的优点。另外，本发明还具有可操作性好，具有广泛的应用前景等优点。
附图说明
[0016]
图1是实施例1中含碳量99.65%的标准碳纤维的tg/dsc曲线。
[0017]
图2是实施例1中含碳量99.65%的标准碳纤维热失重同步挥发物的红外（ft-ir）谱图。
[0018]
具体实施方式
[0019]
为了使本技术领域的技术人员更好地理解本发明的技术方案，下面结合附图和典型实施例对本发明作进一步的详细说明。
[0020]
仪器与试剂：
热重分析仪：sta6000 (dta/tg)-ftir型，perkinelmer公司；碳纤维测试样品：威海拓展纤维公司提供。
[0021]
载样陶瓷坩埚预处理：将载样陶瓷坩埚置于热重分析仪中，在850℃的条件下灼烧至恒重，通过烧蚀清除载样陶瓷坩埚表面的污染物，冷却后称量空坩埚质量，记为m0；碳纤维测试样品预处理：取测试用的碳纤维，去除碳纤维表面的浆剂，然后将碳纤维制成长度小于1mm的试样粉末，并在80℃下干燥恒重后备用。
[0022]
实施例1本实施例采用含碳量99.65%的标准碳纤维作为碳纤维测试样品。
[0023]
利用热失重方法测定测试样品的碳纤维含碳量时，操作步骤如下：1）载样陶瓷坩埚的预处理。
[0024]
2）碳纤维测试样品的预处理。
[0025]
3）称取质量m1为10.155mg的预处理过碳纤维测试样品置于质量m0为198.956mg载样陶瓷坩埚中，并将载样陶瓷坩埚安置于热重分析仪中，然后设置温度程序：在空气气氛下，气体流速40ml/min，将温度从室温升至850℃，升温速率为10℃/min，温度升至设定温度后，恒温保持15min。碳纤维被充分烧蚀分解，待冷却至室温后，称量载样陶瓷坩埚及样品剩余整体的质量为198.984mg，记为m
2。
[0026]
4）碳纤维测试样品中碳元素的绝对质量为：m
1-（m2‑ꢀ
m0）=10.155-（198.984-198.956）=10.127mg，测试样品的含碳量wc=[m
1-（m2‑ꢀ
m0）]/ m1×
100%=99.72%。
[0027]
与碳纤维测试样品的标准含碳量相比，本实施例测试方法的测量误差仅0.07%。
[0028]
为了验证本实施例热失重方法的可靠性，我们对碳纤维测试样品进行了表征，其tg/dsc曲线如图1所示；另外还对碳纤维测试样品热失重同步挥发物进行了表征，其红外（ft-ir）谱图如图2所示。
[0029]
由图1中的tg曲线看，碳纤维测试样品在整个温度程序运行过程只有一个失重台阶，且过程平稳，对应dsc曲线在849.7℃出现一个放热峰。图2中，谱图1为仪器基线；谱图2为849℃下挥发物的谱图，可以看出，当温度为849℃时，碳纤维发生热解，谱图2中出现二氧化碳的吸收峰，由此证明，图1中tg曲线失重是由样品中的碳结合工作气氛中的氧气转化为二氧化碳逸出引起的，进而说明热失重分析法用于检测碳纤维中含碳量是可靠的。
[0030]
实施例2本实施例采用含碳量95.08%的标准碳纤维作为碳纤维测试样品。
[0031]
利用热失重方法测定测试样品的碳纤维含碳量时，操作步骤如下：1）载样陶瓷坩埚的预处理。
[0032]
2）碳纤维测试样品的预处理。
[0033]
3）称取质量m1为8.995mg的预处理过碳纤维测试样品置于质量m0为198.685mg载样陶瓷坩埚中，并将载样陶瓷坩埚安置于热重分析仪中；然后设置温度程序：在氧气气氛下，气体流速20ml/min，将温度从室温升至810℃，升温速率为15℃/min，温度升至设定温度后，恒温保持10min，使碳纤维被充分烧蚀分解，待冷却至室温后，称量载样陶瓷坩埚及样品剩余整体的质量为199.132mg，记为m2。
[0034]
4）碳纤维中碳元素的绝对质量为：m
1-（m2‑ꢀ
m0）=8.995-（199.132-198.686）=8.549mg，碳纤维的含碳量wc=[m
1-（m2‑ꢀ
m0）]/ m1×
100%。经计算碳纤维中含碳量为95.03%
与碳纤维测试样品的标准含碳量相比，本实施例测试方法的测量误差仅0.05%。
[0035]
实施例3本实施例采用含碳量97.79%的标准碳纤维作为碳纤维测试样品。
[0036]
利用热失重方法测定测试样品的碳纤维含碳量时，操作步骤如下：1）载样陶瓷坩埚的预处理。
[0037]
2）碳纤维测试样品的预处理。
[0038]
3）称取质量m1为10.156mg的预处理过碳纤维测试样品置于质量m0为198.893mg载样陶瓷坩埚中，并将载样陶瓷坩埚安置于热重分析仪中；然后设置温度程序：在空气气氛下，气体流速50ml/min，将温度从室温升至900℃，升温速率为5℃/min，温度升至设定温度后，恒温保持18min，使碳纤维被充分烧蚀分解，待冷却至室温后，称量载样陶瓷坩埚及样品剩余整体的质量为199.111mg，记为m2。
[0039]
4)碳纤维中碳元素的绝对质量为：m
1-（m2‑ꢀ
m0）=10.156-（199.111-198.893）=9.938mg，碳纤维的含碳量wc=[m
1-（m2‑ꢀ
m0）]/ m1×
100%。经计算碳纤维中含碳量为97.85%。
[0040]
与碳纤维测试样品的标准含碳量相比，本实施例测试方法的测量误差仅0.06%。
[0041]
实施例4本实施例采用含碳量92.47%的标准碳纤维作为碳纤维测试样品。
[0042]
利用热失重方法测定测试样品的碳纤维含碳量时，操作步骤如下：1）载样陶瓷坩埚的预处理。
[0043]
2）碳纤维测试样品的预处理。
[0044]
3）称取质量m1为9.587mg的预处理过碳纤维测试样品置于质量m0为198.926mg载样陶瓷坩埚中，并将载样陶瓷坩埚安置于热重分析仪中；然后设置温度程序：在空气气氛下，气体流速60ml/min将温度从室温升至950℃，升温速率为10℃/min，温度升至设定温度后，恒温保持15min，使碳纤维被充分烧蚀分解，待冷却至室温后，称量载样陶瓷坩埚及样品剩余整体的质量为199.658mg，记为m2。
[0045]
4）碳纤维中碳元素的绝对质量为：m
1-（m2‑ꢀ
m0）=9.587-（199.658-198.926）=8.855mg，碳纤维的含碳量wc=[m
1-（m2‑ꢀ
m0）]/ m1×
100%。经计算碳纤维中含碳量为92.36%。
[0046]
与碳纤维测试样品的标准含碳量相比，本实施例测试方法的测量误差仅0.1%。
[0047]
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。