为研究岩浆侵入体对煤化学结构等方面的影响, 采用傅里叶变换红外光谱对邯邢矿区云驾岭煤矿岩浆接触带四个高变质煤进行了化学结构表征。 结果表明: 所有样品中芳香结构以苯环三取代为主, 在夹矸中最高达到67.4%; 离侵入体越远, 苯环三取代含量越低, 苯环二取代含量逐渐升高, 而苯环四、 五取代均表现出先增后减的变化规律。 在含氧官能团方面, 离侵入体越远, 活性较高的芳香酯和羧基含量越高, 酚中C-O含量变化较小, 烷基醚和芳基醚含量降低, 芳香环或稠环中CC伸缩振动占比逐渐增加。 受岩浆侵入的影响, 样品中脂肪类物质含量很低; 离侵入体越远, 甲基的对称与反对称伸缩振动占比先增加后减小, 亚甲基对称与亚甲基反对称伸缩振动的变化规律则与甲基相反。 在羟基官能团方面, 羟基自缔合氢键为煤样中氢键的主要类型, 而夹矸中则以羟基和醚中氧形成的氢键为主; 离侵入体越远, 后者在煤样中则逐渐升高, 羟基和π键形成的氢键含量越低, 羟基-N氢键含量先增加后减小。 研究结果表明, 岩浆侵入对煤中有机质的化学结构产生了显著影响, 且对煤和夹矸中有机质化学结构具有差异性影响, 为探索高变质煤中大分子结构演变机理提供了理论依据。

傅里叶变换红外光谱技术可同时测量多种温室气体组分的浓度。 仪器噪声和谱线重叠效应会对光谱数据的质量产生影响, 从而影响各组分反演浓度的结果。 针对上述问题, 使用不同数量的主成分对时序测量光谱矩阵进行重建, 并将重建光谱矩阵与原始光谱矩阵之间的欧式距离和余弦距离作为动态选择主成分数量的判据, 重建时序测量光谱, 从而提高时序光谱数据的质量。 采用该方法分别对数值仿真光谱、 标准气体测量光谱和外场实验测量光谱进行了处理。 结果表明, 叠加0.001 RMS噪声的数值仿真光谱经过光谱重建后, 光谱的结构特征未明显改变, 重建光谱与原始光谱之间的残差标准差为4.191×10-4, 有效降低了测量光谱中噪声的影响。 采用该方法对标准气体的平均测量光谱进行了重建, 并比较了重建光谱与平均光谱的反演浓度精度。 1 min平均测量光谱反演各组分浓度的精度为CO2: 0.24 μmol·mol-1、 CH4: 5.24 nmol·mol-1、 N2O: 2.92 nmol·mol-1和CO: 4.72 nmol·mol-1; 5 min平均测量光谱反演各组分浓度的精度为CO2: 0.18 μmol·mol-1、 CH4: 2.30 nmol·mol-1、 N2O: 1.03 nmol·mol-1和CO: 1.53 nmol·mol-1; 1 min重建光谱反演各组分浓度的精度为CO2: 0.17 μmol·mol-1、 CH4: 2.97 nmol·mol-1、 N2O: 0.72 nmol·mol-1和CO: 1.40 μmol·mol-1; 5 min重建光谱反演各组分浓度的精度为CO2: 0.15 μmol·mol-1、 CH4: 1.74 nmol·mol-1、 N2O: 0.29 nmol·mol-1和CO: 0.97 nmol·mol-1。 利用重建光谱进行反演能够显著提高气体反演浓度的精度, 5 min重建光谱反演浓度的精度结果能够达到WMO/GAW的扩展测量精度要求。 在外场实验中, 1 min重建光谱反演CO2得到的浓度与1 min平均光谱反演得到的CO2浓度的相关系数可达到89.40%。 综合分析可知, 对FTIR时序光谱数据进行主成分动态选择不仅降低了时序测量光谱中噪声的影响, 而且有效保留了时序测量光谱的特征变化信息。

水溶性的丙烯酸酯乳液是文物领域常用的保护材料, 多用于壁画、 彩画、 骨质文物、 漆木器文物的加固和粘接。 使用最广泛的丙烯酸酯乳液类文物保护材料是由原罗门哈斯公司生产的Primal系列。 商品材料如PrimalAC33、 SF016、 B60A、 WS24和MC76等在国内外的文物保护修复实践中应用较多, 但文献报道大多数是直接购买使用的修复案例, 缺乏较为系统科学的性能评价研究。 针对5种常用的Primal系列丙烯酸酯乳液文物保护材料的湿热老化性能和光老化性能开展研究, 通过微观形貌、 色差和光泽度等分析比较其耐老化性能, 采用红外光谱追踪光老化过程中的分子结构变化和吸收峰强度, 阐释其降解机理。 实验结果表明, WS24和B60A的耐湿热性能较好, SF016耐湿热性能最差; AC33的颜色和失光率变化最明显。 光老化测试发现, 紫外光照射过程中所有的材料均发生了断链反应, 另外AC33与MC76有内酯生成。 经过4 200 h光老化后, AC33、 SF016、 B60A和MC76的羰基指数（CI）均有不同程度的增大, 羰基吸收峰强度（Dt）降低了10%～15%。 WS24的羰基指数下降非常迅速, 羰基吸收峰强度降低了53%, 是5种材料中耐光老化性能最差的。 综合评价认为, B60A的耐光老化性能、 耐湿热性能均较好, 是Primal系列中耐老化性能最优的丙烯酸酯乳液文物保护材料。

纸张的力学性能以抗张强度为最主要的表征指标, 按照GB/T 12914—2008《纸和纸板抗张强度的测定》的要求, 通常需要使用抗张拉力仪进行测试, 但这种方法所需样品尺寸较大(长度大于180 mm, 宽度约15 mm)、 损耗样品量较多(平均消耗10个样品能获得1个有效数据), 不适合用于测试珍贵的纸质文物。 利用静态热机械分析仪(TMA)微损取样、 灵敏精确的特点, 首次将其用于纸质文物的力学测试, 尝试建立微小取样测试的新方法。 以故宫棚壁糊饰修复用手工竹纸为研究对象, 依据故宫乾隆花园的实际环境监测结果设计老化条件, 对手工竹纸进行紫外、 干热和湿热加速老化实验, 采用TMA测试老化前后竹纸样品的抗张强度, 结合SEM、 红外光谱分析样品的微观形貌与化学结构的变化情况, 分析竹纸的老化特点。 结果表明: TMA能够有效测出老化后强度较低的手工竹纸的力学强度, 其中, 湿热老化后竹纸保留的抗张强度最高(上升1.01%), 干热老化次之(下降15.11%), 紫外老化后强度最低(下降63.85%); 通过SEM观察到湿热、 干热老化样品的纤维结构无明显变化, 紫外老化样品的纤维结构出现明显断裂破损; 红外光谱分析表明紫外组样品在1 715 cm-1出现吸收峰, 纤维素氧化生成羰基, 900~1 200 cm-1处纤维素指纹区的一些吸收峰强度变弱, 纤维素的糖苷键大量断裂, 说明该组样品纤维素降解程度最为严重, 纸张强度下降程度最为显著; 三种测试结果能够相互印证。 除此之外, TMA所需试样尺寸仅在毫米级别(长度10~20 mm、 宽度约1 mm), 远小于常规拉力仪试样尺寸, 测试精度高, 仅需约7个样品就能达到较好的重复性, 所需样品量仅为常规拉力仪方法的0.5%, 是一种微损精确的测试方法。 研究表明TMA对低强度纸张具有良好的适用性, 有望将其开发成脆弱纸质文物力学性能表征的新方法。

烧制温度是研究古代陶瓷工艺演进的重要参数， 不同时期和功能陶器的烧制温度可能存在显著差异。 热膨胀等传统方法主要针对较高温度下烧制的陶瓷制品分析， 但我国新石器至青铜时代部分陶器的烧制温度相对较低， 如何对其进行准确测定是古代陶器研究方面的一项难题。 建立了一种基于红外光谱分析的陶器烧制温度测定方法。 由于陶器中的黏土矿物受热后发生不可逆的结构变化， 其红外光谱在3 625、 1 030、 640、 560和525 cm-1处的特征吸收峰会随烧制温度的升高发生改变， 有潜力作为古代陶器烧制温度的判别标尺。 首先对7件分别在450～1 050 ℃下烧制的模拟样品进行红外光谱分析， 结果显示其光谱特征与烧制温度间存在较好的对应关系。 利用这一现象可以基于古代陶器的红外光谱特征反推其原始烧制温度， 并将测定结果限制在100 ℃区间内。 选取2件商代陶器和2件陶范样品进行红外光谱分析， 结果显示2件陶器中1件的烧制温度在550～650 ℃之间， 另1件则在850 ℃以上， 说明商代不同类型陶器的烧制温度也可能具有明显差异。 2件陶范的烧制温度均在550 ℃以下， 显示对于功能不同的陶制品， 商代工匠会有意识地选择不同的烧制工艺。 红外光谱具有取样量小、 分析速度快等优势， 在仅对文物造成微小损伤的前提下大量测定考古出土陶器的烧制温度和研究中国古代陶器烧制工艺发展， 挖掘其技术价值与文化内涵方面具有较大潜力。

针对衰减全反射-傅里叶变换红外（ATR-FTIR）光谱仪用于测量结晶过程溶液浓度时， 因光谱谱线维度高、 无关变量多， 导致的标定模型预测精度低、 可解释性差等问题， 提出了一种变量稳定加权混合收缩的新方法。 首先提出对光谱变量进行随机二进采样， 将建立的优秀子模型中变量被选频率与所有子模型中变量回归系数的稳定性指标进行加权评价的稳定加权变量种群分析法（SWVCPA）。 通过对变量的重要性进行排序， 采用指数递减函数在迭代过程中逐渐强制滤除重要性低的变量， 实现了对光谱变量空间的初步收缩， 并大幅提高了收缩的稳定性。 然后在收缩后的子空间继续使用一种新的动态麻雀算法（DSSA）， 以最小化训练预测均方根误差（RMSEC）为适应度函数进一步优化变量组合。 这种混合优化方式融合了两类变量选择算法的优点， 通过子模型竞争的方法确保了前期变量收缩的稳定性， 防止算法陷入局部最优; 通过智能优化算法避免了对剩余变量组合的遍历寻优， 允许保留更多的变量进行精准选择。 为了验证新方法的性能， 使用L-谷氨酸溶液冷却结晶过程中6种不同浓度下采集到的ATR-FTIR光谱数据进行测试。 结果表明， 新方法将光谱变量数从613个减少到46个， 与原始光谱相比， 使用选择后变量建立的偏最小二乘法（PLSR）模型其预测均方根误差（RMSEP）为从1.727 9降低到0.165 4， 预测决定系数（R2）从0.973 7提高到0.999 7。 另外相比于特征谱段、 遗传算法（GA）以及变量种群组合分析法（VCPA）选择变量建立的模型， 使用新方法建立的溶液浓度预测模型具有更高的准确性和稳定性， 说明该方法对提高使用ATR-FTIR光谱法测量冷却结晶过程溶液浓度准确性和可靠性具有一定的实际应用价值。

木质纤维原料富含羟基, 可通过液化处理转化为具有较高反应活性的液态产物, 实现其高值化利用。 纤维原料的液化过程中存在降解和缩聚反应的竞争反应, 直接影响液化产物的特性。 为了研究枫香果实的液化反应过程, 以聚乙二醇和丙三醇(4∶1 V/V)为液化试剂, 对枫香果实进行不同时间(30, 60, 90, 120和150 min)的液化处理。 利用傅里叶红外光谱(FTIR)结合主成分分析(PCA)、 X射线衍射(XRD)分别对液化残渣和液化产物进行表征。 结果表明枫香果实的液化率随反应时间延长逐渐提升, 最高为88.79%。 基于液化率和羟值确定枫香果实的最佳液化时间为120 min, 此时液化率为87.91%, 液化产物的羟值为280 mg KOH·g-1。 FTIR和XRD分析表明液化反应初期以木质素和半纤维素的降解反应为主； 液化后期, 结晶纤维素开始降解, 同时伴随着缩聚反应的发生。 主成分分析发现, 不同液化时间得到的液化残渣的官能团分布相对独立, 可以作为判断枫香果实在液化过程中各组分降解的依据。 液化时间90 min为液化过程的转折点, 此时主导反应逐渐由降解转为缩聚反应。 此外, 为了探究枫香果实液化产物在聚氨酯泡沫应用上的可行性, 添加不同含量(10%, 20%和50%)的枫香果实液化产物成功制备得到了聚氨酯泡沫。 FTIR分析表明, 枫香果实的液化产物可代替多元醇制备聚氨酯泡沫, 且液化产物的添加并未改变聚氨酯泡沫的化学结构。 研究结果为进一步探究木质纤维资源的液化过程和枫香果实的液化利用提供了理论依据。

低阶煤的热解萃取处理是低阶煤高附加值利用的有效方法之一, 开展低阶煤热萃取物的热解特性研究, 对低阶煤清洁、 高效转化具有重要意义。 采用热重分析与红外光谱联用(TG-FTIR)技术, 结合分峰拟合数学方法, 开展褐煤热萃取物(CPW)热解过程活化能与热解逸出气分子结构参数的关联性探索。 以CPW为研究对象, 采用非等温动力学方法开展热解动力学研究, 运用无模式函数法(Flynn-Wall-Ozawa法和Kissinger-Akahira-Sunose法)计算CPW不同转化率(α)下的活化能(Ea), 得到热解过程(0.20≤α≤0.80)的活化能介于94.04和177.40 kJ·mol-1范围之内, 平均活化能为130.01 kJ·mol-1, Ea的大小随转化率提高而增加; 采用PeakFit软件对不同α下热解逸出气红外光谱的四个区域(700~900, 1 100~1 800, 2 800~3 000和3 000~3 100 cm-1)进行分峰拟合, 获得CPW热解逸出气分子中官能团信息和各官能团相对含量, 引入六种结构参数(I1~I6)用来描述逸出气的分子结构, 探索CPW在转化率为0.20≤α≤0.80范围内的热解活化能与各结构参数之间的关联性。 研究结果表明: CPW各热解阶段的活化能与相应的I1(支链化程度)、 I2(含氧量)、 I3(芳香性指数)、 I4(芳环五元取代)、 I5(三、 四元取代)及I6(二元取代)等六种分子结构参数密切相关, 且热解活化能与I1, I3和I6三种参数呈现良好的线性关系(拟合后R2分别为0.903 4, 0.744 7和0.803 1); 对同一转化率下热解活化能Ea与逸出气的六种分子结构参数整体进行线性回归分析, 得到结构参数模型为Ea=124.91-88.75I1-318.84I2-19.19I3+40.29I4-14.28I5+1 272.33I6(R2高达0.999 9)。 基于热重红外联用技术, 剖析CPW的热解Ea与热解逸出气官能团变化规律, 深入了解CPW在热解过程中的演变规律, 有助于明晰CPW的热解过程和热转化行为, 为褐煤的高附加值利用提供一定理论依据。

长期以来, 学者们致力于将玉米秸秆这类低品位的生物质资源向高附加值的化学品转化, 提高其利用价值。 对玉米秸秆进行常压酸催化多元醇液化试验, 并对其所得液化残渣的主要组成成分、 热解及纤维特性进行研究。 采用傅里叶红外光谱技术(FTIR)、 热裂解气相色谱-质谱联用技术(Py-GC/MS)、 热重分析技术(TGA)、 X射线衍射技术(XRD)及扫描电子显微镜技术(SEM)对玉米秸秆及其液化残渣的化学基团、 热裂解产物、 热失重情况、 晶体结构和微观形貌进行了检测分析。 FTIR分析表明, 液化残渣中三组分(纤维素、 半纤维素和木质素)官能团的特征吸收峰几乎消失, 其主要含有未液化完全的纤维素和三组分降解产生的小分子间通过聚合反应生成的大分子物质。 Py-GC/MS表明, 液化残渣热裂解产物中包含呋喃类(10.64%)、 酚类(18.89%)、 酮类(3.73%)、 烃类(35.23%)、 醇类(4.17%)、 醛类(4.31%)、 醚类(1.25%)和有机酸类(4.79%)及含S或N杂原子化合物(17.00%)等89种可识别的有机物, 这些有机物的含碳数高于玉米秸秆同类族化合物中的含碳数。 通过TGA明确液化残渣热失重的情况, 即加热阶段, 其质量损失约为3%; 快速失重阶段, 质量损失非常明显, 约为45%; 缓慢失重阶段, 质量损失不足4%; 其发生热解的条件比玉米秸秆的更为苛刻。 XRD结果可知, 液化残渣的主峰和次峰消失, 破坏了纤维素Ⅰ晶格结构, 形成球磨纤维素。 SEM图像表明, 玉米秸秆经酸催化多元醇液化后生成杂乱无序、 粗糙、 不规则、 呈颗粒状的液化残渣。 综上, 此条件下玉米秸秆几乎完全液化。 这为液化残渣制备木质基炭材料给予理论基础与应用支持, 促进了生物质资源全组分利用。