国家标准 GB/T36065一2018 纳米技术碳纳米管无定形碳、灰分和挥发物的分析热重法 Nanotechnologies一Analysisofamorphousearbon，ashandvolatileof carbonnanotubes一Thermogravimetry 2018-03-15发布 2018-10-01实施国家质量监督检验检疫总局发布国家标准化管理委员会国家标准
GB/36065一2018 目次前言引言范围 2 规范性引用文件术语和定义缩略语和符号不同实验气氛下的反应原理仪器与配件试剂与材料 8 测试方法数据分析 0测试报告附录A(规范性附录在氧与合成空气混合气气氛下丁及T.与氧气含量的关系图附录B(资料性附录)不同气氛下热重数据处理举例参考文献
GB/36065一2018 前言本标准按照GB/T1.1一2009给出的规则起草本标准由科学院提出本标准由全国纳米技术标准化技术委员会(SAC/TC279)归口本标准起草单位:国家纳米科学中心,深圳市德方纳米科技股份有限公司、纳米技术及应用国家工程研究中心本标准主要起草人:张东慧、葛广路、孔令涌、王远航、尚伟丽、闫晓英、朱君、张迎
GB/T36065一2018 引言碳纳米管是由碳原子构成的纳米管碳纳米管具有许多优异的力学、电学和化学性能,在多个领域都有广泛的应用前景,是目前已工业化生产的纳米材料m 碳纳米管试样中无定形碳,灰分和挥发物的 1[2,3] 含量以及其主要氧化温度、热稳定性对其性能和应用有较大影响故碳纳米管试样中各组分的准确测量及对其氧化性和热稳定性的评估是碳纳米管试样质量的关键控制参数热重法(thermograv imetry,简称TG)是评估碳纳米管试样中不同组分含量及其主要氧化温度和热稳定性的有效方法,不同实验气氛的使用可获得不同的信息一时本标准给出在不同实验气氛下对碳纳米管试样进行热重分析(thermogravimetricanalysis,简称TGA)的技术和规范包括不同实验气氛下TG的原理及数据处理过程等内容实验气氛具体包含二氧化碳气氛、氧与合成空气的混合气气氛和氮气气氛本标准的制定将会为碳纳米管试样的生产机构、检测机构、科研院所和相关监督管理部门提供在不同实验气氛下利用TG分析碳纳米管试样中无定形碳灰分、挥发物等组分含量及氧化温度的指导和参考 IN
GB/36065一2018 纳米技术碳纳米管无定形碳、灰分和挥发物的分析热重法范围本标准规定了在不同实验气筑下利用热重法分析碳纳米管试样中的无定形碳,灰分和挥发物的含量以及碳纳米管的主要氧化温度、热稳定性的方法,实验气氛包括二氧化碳气氛、氧与合成空气的混合气气氛和氮气气氛本标准适用于化学气相沉积法获得的单壁及多壁碳纳米管试样其他制备方法获得的碳纳米管试样可参照执行规范性引用文件下列文件对于本文件的应用是必不可少的凡是注日期的引用文件,仅注日期的版本适用于本文件凡是不注日期的引用文件,其最新版本(包括所有的修改单)适用于本文件 GB/T5314粉末冶金用粉末取样方法 GB/T6425热分析术语 GB/T13464物质热稳定性的热分析试验方法 GB/T19619纳米材料术语 GB/T29189碳纳米管氧化温度及灰分的热重分析法 GB/T30544.3纳米科技术语第3部分;碳纳米物体 GB/T32868纳米技术单壁碳纳米管的热重表征方法 sO/TR10929纳米技术多壁碳纳米管表征[NanotechnologiesCharacterizationofmultiwall carbon(MWCNTsamples 术语和定义 GB/T6425、GB/T13464GB/T19619,GB/T29189,GB/T30544.3,GB/T32868、,Iso/TR10929 界定的以及下列术语和定义适用于本文件 3.1 无定形碳amorphouscarbon 非晶的碳和由石墨层状结构分子碎片堆积而成的无序结构的碳注:修改GB/T34916-2017,定义3.1 3.2 无定形碳含量amorphouscarboncontent wnm 碳纳米管试样中无定形碳的质量分数 3.3 挥发物含量wolatilecontent w 碳纳米管试样在氮气气氛下从室温加热到设定温度,并保持此温度直到挥发物完全释放试样没
GB/T36065一2018 有发生化学反应的情况下,加热过程中试样的失重值缩略语和符号下列缩略语和符号适用于本文件 TG:热重法(thernm mOgra1metry nogravimetricanalysis TGA:热重分析(thermm wm;无定形碳含量(amphouscarboncontent) T;主要氧化温度(primaryoxidationtemperature atureoftheextrapolatedonset 外推起始温度(temperatu R;灰分含量(ashrelativecontent w,:挥发物含量(volatile content carbonincarbonnanotube c.;碳纳米管试样中的无定形碳(amarphous Ca;碳纳米管试样中所有的碳allcarbonincarbonnanotube 5 不同实验气氛下的反应原理 5.1概述碳纳米管试样中无定形碳、金属杂质和挥发物等组分在高温和不同的实验气氛中反应活性不同,用热重分析仪记录试样质量与温度的关系,获得热重曲线通过分析热重曲线,获得碳纳米管试样中各组分的含量,主要氧化温度和热稳定性等信息g.n 不同实验气氛下所获得的样品信息如表1所示表1不同实验气氛下TG测试主要内容实验气体测试内容二氧化碳 w'm 氧与合成空气的混合 T,热稳定性、T.,R 氮气 Tw 5.2二氧化碳气氛在二氧化碳气氛下,升温过程中碳纳米管试样中的无定形碳首先被氧化,并不断吸收周围环境的热量从而不会造成局部温度过高而达到碳纳米管的反应温度,使无定形碳与二氧化碳的反应过程和碳纳米管与二氧化碳的反应过程分离,反应见式(1) -2CO Cm十cO 5.3氧与合成空气的混合气气氛在氧与合成空气的混合气气氛下,升温过程中碳纳米管试样中所有的碳与氧气发生反应时,不断放出热量,反应见式(2) (2 C十OCO 在氧与合成空气的混合气气氛下微分热重曲线上最强峰出现处的温度即为所测试样的T,T可看作氧化引起的失重起始温度,二者可共同反应碳纳米管试样在线性加热条件和氧与合成空气的混合气气氛下的热稳定性碳纳米管试样充分氧化后所剩残余物的质量与碳纳米管初始质量之比则为碳纳
GB/36065一2018 米管试样的R 注在给定的仪器和氧与合成空气的混合气气斜下,T和T.会随着氧气的浓度改变而改变(见附录A. 5.4氮气气氛在氮气气氛下,碳纳米管试样从室温加热到设定温度,并保持此温度直到挥发物完全释放假设样品没有发生化学反应,加热过程中样品在800C的失重值可以认为是w 挥发物含量可以用TG测量,通常表示为加热引起的质量损失百分数注:参考GB/T332432016,7.6 仪器与配件 6.1 热重分析仪 6.1.1加热炉能够以1c/min一50c/min恒定速率将试样均匀加热到恒定温度10o0C或以上 6.1.2温度传感器;用来显示试样/加热炉温度,灵敏度为士0.01 6.1.3连续记录天平;灵敏度士14g 6.1.4温度控制器:能够在选定的温度区间内执行特定的调温程序,其温度变化速率为1C/min~ 50C/min,稳态下温度波动在士0.1C/min以内 6.2堆蜗要求不与试样及产物发生反应，且能在1000C或以上的温度下保持质量稳定,例如铂堆蜗、氧化铝堆蜗试剂与材料 7.1二氧化碳纯度不低于99.999% 7.2合成空气纯度不低于99.995%的氧气的体积分数为18%23%,其余为纯度不低于99.999%的氮气 7.3氧气纯度不低于99.995% 7.4氮气纯度不低于99.999% 7.5碳纳米管试样化学气相沉积法合成的单壁或多壁碳纳米管 8 测试方法 8.1测试环境条件 8.1.1温度范围:15C35C(士2C)
GB/T36065一2018 8.1.2湿度范围;相对湿度小于80% 8.2取样方法试样的取样方法按GB/T5314的规定进行 8.3试样预处理根据实验需要对试样进行研磨、真空干燥、压片等处理 8.4仪器校准参照GB/T29189，在实验前对仪器进行温度校准和质量校准 8.5测试参数 8.5.1取样质量;试样质量用量根据试样的密度确定，一般以加人试样的体积为堆蜗体积的1/31/2 为宜 8.5.2实验气织二氧化碳、合成空气、氧气和氮气 8.5.3气体流量;保护气氮气流量需根据实验需要结合仪器的实际选择合适的流速;吹扫气二氧化碳、合成空气、氧气和氮气的推荐流量为5mL/min一40mL/min,根据实验需要和仪器厂家建议值设置采用仪器推荐流量 8.5.4升温速度和最高温度;推荐升温速率为5C/min~10C/min,根据实验需要设置最高温度 8.6测试步骤 8.6.1打开热重分析仪及与之相配套的设备,接通实验所需气体仪器预热2h以上,开始测试前按照 8.4进行仪器校准 8.6.2无试样情况下,采用与测试时相同的条件做基线堆蜗置于热重分析仪的加热炉托盘上,堆蜗质量示数清零 8.6.3 8.6.4按照8.5.1称取经过8.3预处理后的试样,将试样平铺于堆蜗内,置于热重分析仪内,内置天平记录试样初始质量 8.6.5按照8.5.3和8.5.4设置所需气体流量和温度,仪器自动测量试样质量并记录TGA曲线数据分析 9 9.1二氧化碳气氛图1为碳纳米管试样在二氧化碳气氛下得到的TGA曲线图,曲线中T,为碳纳米管试样中无定形碳完全反应的温度
GB/36065一2018 l10 0.4 100 . 0.2 90 0.0 8o TG -0.2 0 DTG -0.4 60 50 -0.6 40 -0.8 30 -1.0 20 -1.2 10 70 100 200 300 400 500 600 800 900 温度/c 说明: T -外推起始温度('C); 试样在300C时的质量分数(%) w's00 试样在温度T.时的质量分数(%). te 图1碳纳米管试样在二氧化碳气氛下得到的IGA曲线图碳纳米管试样中w可通过式(3)计算获得: 3 m='30o g.2氧与合成空气的混合气图2为碳纳米管试样在氧与合成空气的混合气气氛下得到的TGA曲线图参照GB/T29189,碳纳米管试样在氧化性气氛下质量损失速率最大值所对应的温度即碳纳米试样的T 可由TG数据分析软件直接读出T
GB/T36065一2018 110 10o 90 80 TG DrG 70 60 50 40 30 20 R 10 100 200 300 400 500 600 700 800 900 温度/ 说明 T." -碳纳米管试样的主要氧化温度(C) 外推起始温度(C); T R -灰分的含量图2碳纳米管试样在氧与空气的混合气气氛下得到的IGA曲线图参照GB/T13464,失重前的基线的延长线与TG.A曲线拐点(最大失重速率)处的切线的交点所对应的温度即T 可由TG数据分析软件直接读出T 参考GB/T29189，碳纳米管试样充分氧化后热重分析仪堆蜗中残余物质的质量与碳纳米管试样初始质量之比即R 可由TG数据分析软件直接读出R 9.3氮气气氛图3为碳纳米管试样在氮气气氛下的TGA曲线图,碳纳米管试样中w,可通过下式计算获得 4 w，=1一w 注:不同气氛下热重数据处理举例参见附录B
GB/36065一2018 110 T 100 TG 90 w 80 0 60 D 40 30 20 10 00 200 300 400 500 600 700 800 900 温度/ 说明: T 所需加热温度(C) 试样在T时的质量分数(%) we 图3碳纳米管试样在氮气气氛下得到的IGA曲线图 10测试报告测试报告应包含但不限于以下信息实验依据标准编号; a 试样名称、外观形貌和编号; b 测试单位 c d)所用仪器及型号; 测试条件,包括堆蜗类别气氛、气体流量,试样质量、实验温度范围和升温速率 e fD 测试结果,包括TGA曲线,测试数据及其计算值
GB/T36065一2018 附录 A 规范性附录) 在氧与合成空气混合气气氛下及r,与氧气含量的关系图图A.1是碳纳米管试样在氧与合成空气混合物气氛下得到的T及T 与氧气含量的关系曲线 680 660 -7 632.3 640 626.1 624.1 623 616.2 620 609g.4 599.7 599 592.2 600 568.1 575.5 567.3 568,4 58o 62.6 567 50.6548.1 560 544.3 540 520 500 品 %成 :T 1:8 E:15 2:1 氧气/氮气体积比图A.1碳纳米管试样在氧与合成空气混合气气氛下得到的T.及T.与氧气含量之间的关系曲线
GB/36065一2018 附录B 资料性附录不同气氛下热重数据处理举例二氧化碳气氛 B.1 B.1.1试样碳纳米管 B.1.2仪器及配件热重分析仪、,P堪蜗 B.1.3测试方法参照第8章,其中吹扫气二氧化碳的气体流量为0mL/mm,保护气氮气的气体流量为10mL/" min 升温速率为5C/min B.1.4结果分析图B.1是碳纳米管试样在二氧化碳气氛下得到的TGA曲线图 1l0 几=771.5 00 --=---= 0.5 90 ws=98.1% -93.6% 0.0 80 TG 70 -0.5 DTG 60 -1.0 50 -1,5 40 30 2.0 20 -2.5 1o 3.0 2 100 300 400 500 600 700 800 900 温度/c 说明: T -外推起始温度() 试样在300C时的质量分数(%); w'oo 试样在温度T时的质量分数(%. ，图B.1碳纳米管试样在二氧化碳气氛下得到的TGA曲线图数据处理参照9.1 二w一w.=93.6%一98.1%一4.5% uwm
GB/T36065一2018 B.2 合成空气气氛 B.2.1试样碳纳米管 B.2.2仪器及配件热重分析仪、Pt堆蜗 B.2.3测试方法参照第8章,其中吹扫气合成空气的气体流量为20ml/min(含氧气:4.2ml/min,氮气:15.8ml ),保护气氮气的气体流量为10ml/min;升温速率为5C/ min mln B.2.4结果分析图B2是碳纳米管试样在合成空气气筑下得到的TGA曲线图 110 T =572.1C 100 g0 80 心 TG -DTG 60 50 40 30 T,=637.4c 20 R=2.4% 10 100 200 300 SO 600 700 800 900 400 温度/o 说明 T" 碳纳米管试样的主要氧化温度(C); T -外推起始温度(C) Rne 灰分含量图B.2碳纳米管试样在合成空气气氛下的TGA曲线图数据处理参照9.2: T”=637.4C T =572.1C R=2.4% 10
GB/36065一2018 B.3氧气气氛 B.3.1 试样碳纳米管 B.3.2仪器及配件热重分析仪、Pt堆蜗 B.3.3测试方法参照第8章,其中吹扫气氧气的气体流量为20mL/min,保护气氮气的气体流量为10mL/min,升温速率为5C/min B.3.4结果分析图B3是碳纳米管试样在氧气气氛下得到的TGA曲线 110 T =555.7 10o 90 80 TG 70 DTG 0 50 40 30 =604.7c 20 Re=2.5% 0 100 200 300 400 500 600 70o 800 900 温度/C 说明: Tm -碳纳米管试样的主要氧化温度(C) 外推起始温度(C). T Rm -灰分含量图B.3碳纳米管试样在氧气气氛下得到的TGA曲线图数据处理参照9.2 T=604.7C T =555.7C Re=2.5% 11
GB/T36065一2018 B.4氮气气氛 B.4.1试样碳纳米管 B.4.2仪器及配件热重分析仪、Pt堆蜗 B,4.3测试方法参照第8章,其中氮气气体流量为30mL/min;升温速率为5C/min B,4.4结果分析图B4是碳纳米管试样在叙气气筑下得到的 TGA曲线 110 800c' - 10o 90 -TG Tw1=97.2% 80 60 0 40 30 20 10 100 200 300 400 500 600 700 800 900 温度/c 图B.4碳纳米管试样在氮气气氛下得到的TGA曲线图数据处理参照9.3: w,=1一w1=1一97.2%=2.8% 12
GB/36065?2018 EndoM.StranoM.S.AjayanP.M.Potentialapplieationsofcarbonnanotubes.Carbon Nanotubes TopiesinAppliedPhysies..2008.,lll1361 LandiB.J.,CressC.D.Evans,C.M.etalThermaloxidatio rofilingofsinglewalled onpro carbon Chem.Mater,2005176819-6834 nanotubes. [3]Okubo,S.,Sekine Suzuki,S.etal.Purificationofsingle-wallcarbonnanotubessyn thesizedfromaleoholbycatalytiechemiealvapordeposition.JapaneseJournalofAppliedPhysies 200443,396-398. [4]LiH.Zhao. He etal.ThermogravimetricanalysisandTEMcharacterizationof theoxidationanddefectsitesofcarbonnanotubessynthesizedbyCVDofmethaneMaterialsScience andEngineeringA2008,473355-359 Murphy CadekM.etal.High-yieldnondestructivepurificationand Coleman quantificationmethodformultiwalledcarbonnanotubesJPhysChemB,2008106:3087-3091. BomD.Andrews JacquesD.etal.Thermogravimetricanalysisoftheoxidationof multiwalledcarbonnanotubes:evidencefortheroleofdefectsitesincarbonnanotubechemistry NanoLetters,20022;615-619 McKeeG.S.B.VecchioK.S..Thermogravimetricanalysisofsynthesisvariationeffectson CVDgeneratedmultiwalledcarbonnanotubes PhysChem.B2006110:1179-l186. [8 McKeeG.S.B.Deck Vecchio. Dimensionalcontrolofmulti-walledcarbon nanotubesinfloatingcatalyst synthesis.Carbon,200947:2085-2094. [9]TsangSCHarissPJF,GreenMLH.Thinningandopeningofcarbonnanotubesbyoxi- dationusingcarbondioxideJ.Nature1993362:520-522 [10]SmithJrMRHedgessw,LaCountR.etal.Seleetiveoxidationofsingle-walledcarbon nanotubesusingcarbondioxideC].Carbon200341:1221-1230.

纳米技术碳纳米管无定形碳、灰分和挥发物的分析热重法GB/T36065-2018

纳米技术作为当今科技领域的一个热门话题，已经在许多领域得到了广泛应用，包括材料科学、能源、生物医学等诸多领域。而碳纳米管作为其中的一种材料，由于其优异的力学性能、导电性能和热稳定性，在各个领域也越来越受到重视。

纳米技术碳纳米管的特性

碳纳米管是一种由纳米级别的碳分子构成的管状结构，具有以下几个特性：

强度高：碳纳米管的强度是普通钢材的十倍以上。
导电性能好：碳纳米管具有很好的导电性能，比铜还要好。
热稳定性好：碳纳米管可以承受高温环境，不易氧化和变形。

无定形碳、灰分和挥发物的分析热重法

无定形碳、灰分和挥发物是碳纳米管中存在的三种主要杂质。GB/T36065-2018《纳米技术碳纳米管无定形碳、灰分和挥发物的分析热重法》标准将分析热重法作为一种有效的检测方法，用于对碳纳米管中的这三种杂质进行检测。

分析热重法是指通过加热样品，在不同温度下测量其失重情况，以得出样品中不同组分的含量。在检测碳纳米管中的无定形碳、灰分和挥发物时，我们需要先将样品加热至一定温度，并在此温度下维持一段时间，然后再加热至下一个温度点，以此类推。在每个温度点时，我们可以通过称重的方式测量样品的质量变化，从而得出样品中不同组分的含量。

通过对碳纳米管中的无定形碳、灰分和挥发物进行检测，可以更好地了解碳纳米管的杂质含量，并为其应用提供科学依据。

结论

纳米技术碳纳米管作为一种重要的材料，在各个领域都具有广泛的应用前景。而无定形碳、灰分和挥发物的分析热重法则是对这些材料进行精确检测的关键技术。我们相信，通过不断研究和改进这些技术，纳米技术碳纳米管的应用前景一定会越来越广阔。