应用案例 | 基于 STA-FT-IR 的水泥原料研究

对含有二氧化硅、碳酸钙、二水硫酸钙和氢氧化钙的水泥原料进行热分析，是研究加热过程中所发生的复杂物理化学转变的关键方法，这些转变对熟料的形成至关重要。

TGA-DSC 同步测量可同时提供质量变化与相关热效应的信息，从而全面描述材料在宽温度范围内的整体热行为。当辅以 FT-IR 光谱时，该技术通过将热事件与加热过程中释放的气体成分相关联而得到进一步扩展，从而显著提高分析的解释价值。特别是基于 PERSEUS® 概念的直接 STA-FT-IR 联用，具有明显优势：FT-IR 光谱仪直接安装在 STA 炉体上，气体传输路径极短且可加热，死体积小，热信号与光谱信号之间同步性极佳，这对于研究复杂的矿物体系尤为有利。该联用仪器结构紧凑，可适应大多数实验室环境。

测试仪器：NETZSCH STA Jupiter® PERSEUS®

温度范围：RT...1450℃                               

升温速率：20K/min 

吹扫气：合成空气，70 ml/min

频率：1 kHz                     

坩埚：铂坩埚，85μl，带盖，坩埚与传感器之间使用 Al₂O₃ 垫片

样品质量：24 mg

在图 1 所示的 TGA-DSC 曲线中，可以识别出一系列在水泥及相关原料中典型的热过程，这些过程覆盖了整个温度范围，最高约至 1400°C。

图 1：水泥原料的质量随温度变化（TGA，绿色）、质量变化速率（DTG，黑色）及热流曲线（DSC，蓝色）

在100°C至 200°C温度区间，TGA 信号显示约 7.5% 的失重，同时DTG在 149°C出现最小值，DSC 呈现两个重叠的吸热效应，峰值分别位于153°C和168°C。此区域的特征是物理结合水的释放以及二水硫酸钙脱水形成半水石膏和/或硬石膏。

在400°C 至 600°C之间，发生约3.5%的进一步失重，对应DTG信号在约453°C，以及一个峰值温度为 457°C 的吸热 DSC 峰。此行为是氢氧化钙脱羟基的典型特征，该过程中结构结合水被释放。

在约575°C时DSC信号中观察到的效应，是石英（SiO₂）可逆 α–β 相变的特征。

在700°C 至 850°C之间，检测到 5.9% 的额外失重，这与 DTG 在779°C 的明显最小值以及峰值温度为 784°C 的吸热 DSC 信号相关联。这一阶段是碳酸钙热分解释放 CO₂ 的特征。

1216°C 的 DSC 效应意味着发生相变，标志着硅酸盐相的形成。

在约 1250°C 以上，观察到约 17% 的失重，并伴有数个强烈的 DSC 信号，最大值分别在约 1318°C 和 1386°C，以及显著的 DTG 峰，分别位于 1321°C 和 1386°C。在此温度范围内发生 CaSO₄ 分解为 CaO 以及相关的硫氧化物气体释放。此外，这些效应也标志着高温相变以及熔融过程的开始，这在水泥和熟料相关体系中是典型的。

完整的红外数据以温度-波数相关的三维图形式显示在图 2 中。TGA 曲线以红色绘制在立方体背面，显示了质量损失与红外强度增加的相关性。为了对红外数据进行详细评估，在不同温度下提取了单一红外光谱，并与 EPA-NIST 谱库进行了比对。

图 2：检测到的水泥原料红外光谱的三维图，TGA 曲线以红色绘制在立方体背面

分析揭示了在前两个质量损失阶段有水释放，这与硫酸钙的脱水和氢氧化钙的脱羟基过程吻合良好。在 550°C 至 800°C 之间发现二氧化碳的释放，源于碳酸盐的分解。最后一个质量损失阶段则释放了来自硫酸盐分解的 SO₂。气体释放的踪迹可以很容易地与 TGA 曲线相关联，参见图 3。

图 3：水泥原料的温度依赖性质量变化（TGA，绿色）以及 H₂O（青绿色）、CO₂（黑色）和 SO₂（红色）的逸出气体曲线。

对水泥及相关原料进行 STA-FT-IR 分析，能够全面表征加热过程中发生的物理和化学过程。通过结合 TGA 和 DSC，可同时记录质量变化和相关热效应，而 FT-IR 联用则能够明确识别这些过程中释放的气体。这使得清晰归属各个反应步骤（如脱水、脱羟基、脱碳和硫酸盐分解）成为可能。该方法的一个关键优势是质量损失、热效应和气体组成之间的直接关联，这显著降低了在解释重叠反应时的不确定性。

因此，STA-FT-IR 是分析和优化水泥原料及熟料形成过程的有力工具。