熱重分析儀

熱重分析儀（Thermal Gravimetric Analyzer）是一種利用熱重法檢測物質溫度-質量變化關係的儀器。熱重法是在程式控溫下，測量物質的質量隨溫度（或時間）的變化關係。

當被測物質在加熱過程中有升華、汽化、分解出氣體或失去結晶水時，被測的物質質量就會發生變化。這時熱重曲線就不是直線而是有所下降。通過分析熱重曲線，就可以知道被測物質在多少度時產生變化，並且根據失重量，可以計算失去了多少物質，（如CuSO4·5H2O中的結晶水）。

基本介紹

• 中文名：熱重分析儀
• 外文名：Thermo Gravimetric Analyzer
• 作用：檢測物質溫度-質量變化關係
• 原理：熱重法

分析方法

從熱重曲線上我們就可以知道CuSO4·5H2O中的5個結晶水是分三步脫去的。通過TGA 實驗有助於研究晶體性質的變化，如熔化、蒸發、升華和吸附等物質的物理現象；也有助於研究物質的脫水、解離、氧化、還原等物質的化學現象。熱重分析通常可分為兩類：動態(升溫)和靜態(恆溫)。熱重法試驗得到的曲線稱為熱重曲線(TG曲線)，TG曲線以質量作縱坐標，從上向下表示質量減少；以溫度(或時間)作橫坐標，自左至右表示溫度(或時間)增加。

工作原理

熱重分析儀主要由天平、爐子、程式控溫系統、記錄系統等幾個部分構成。

最常用的測量的原理有兩種，即變位法和零位法。所謂變位法，是根據天平梁傾斜度與質量變化成比例的關係，用差動變壓器等檢知傾斜度，並自動記錄。零位法是採用差動變壓器法、光學法測定天平梁的傾斜度，然後去調整安裝在天平系統和磁場中線圈的電流，使線圈轉動恢復天平梁的傾斜，即所謂零位法。由於線圈轉動所施加的力與質量變化成比例，這個力又與線圈中的電流成比例，因此只需測量並記錄電流的變化，便可得到質量變化的曲線。

影響因素

試樣量和試樣皿

熱重法測定，試樣量要少，一般2～5mg。一方面是因為儀器天平靈敏度很高(可達0．1μg)，另一方面如果試樣量多，傳質阻力越大，試樣內部溫度梯度大，甚至試樣產生熱效應會使試樣溫度偏離線性程式升溫，使TG曲線發生變化，粒度也是越細越好，儘可能將試樣鋪平，如粒度大，會使分解反應移向高溫。

試樣皿的材質，要求耐高溫，對試樣、中間產物、最終產物和氣氛都是惰性的，即不能有反應活性和催化活性。通常用的試樣皿有鉑金的、陶瓷、石英、玻璃、鋁等。特別要注意，不同的樣品要採用不同材質的試樣皿，否則會損壞試樣皿，如：碳酸鈉會在高溫時與石英、陶瓷中的SiO2反應生成矽酸鈉，所以像碳酸鈉一類鹼性樣品，測試時不要用鋁、石英、玻璃、陶瓷試樣皿。鉑金試樣皿，對有加氫或脫氫的有機物有活性，也不適合作含磷、硫和鹵素的聚合物樣品，因此要加以選擇。

升溫速率

升溫速度越快，溫度滯後越嚴重，如聚苯乙烯在N2中分解，當分解程度都取失重10%時，用1℃/min測定為357℃，用5℃/min測定為394℃相差37℃。升溫速度快，使曲線的分辨力下降，會丟失某些中間產物的信息，如對含水化合物慢升溫可以檢出分步失水的一些中間物。

氣氛影響

熱天平周圍氣氛的改變對TG曲線影響顯著，CaCO3在真空、空氣和CO2三種氣氛中的TG曲線，其分解溫度相差近600℃，原因在於CO2是CaCO3分解產物，氣氛中存在CO2會抑制CaCO3的分解，使分解溫度提高。

聚丙烯在空氣中，150～180℃下會有明顯增重，這是聚丙烯氧化的結果，在N2中就沒有增重。氣流速度一般為40ml/min，流速大對傳熱和溢出氣體擴散有利。

揮發物冷凝

分解產物從樣品中揮發出來，往往會在低溫處再冷凝，如果冷凝在吊絲式試樣皿上會造成測得失重結果偏低，而當溫度進一步升高，冷凝物再次揮發會產生假失重，使TG曲線變形。解決的辦法，一般採用加大氣體的流速，使揮發物立即離開試樣皿。

浮力

浮力變化是由於升溫使樣品周圍的氣體熱膨脹從而相對密度下降，浮力減小，使樣品表觀增重。如：300℃時的浮力可降低到常溫時浮力的一半，900℃時可降低到約1/4。實用校正方法是做空白試驗，(空載熱重實驗)，消除表觀增重。

TG曲線關鍵溫度表示法

失重曲線上的溫度值常用來比較材料的熱穩定性，所以如何確定和選擇十分重要，至今還沒有統一的規定。但人們為了分析和比較的需要，也有了一些大家認可的確定方法。A點叫起始分解溫度，是TG曲線開始偏離基線點的溫度；B點叫外延起始溫度，是曲線下降段切線與基線延長線的交點。C點叫外延終止溫度，是這條切線與最大失重線的交點。D點是TG曲線到達最大失重時的溫度，叫終止溫度。E、F、G分別為失重率為5%、10%、50%時的溫度，失重率為50%的溫度又稱半壽溫度。其中B點溫度重複性最好，所以多採用此點溫度表示材料的穩定性。當然也有採用A點的，但此點由於諸多因素一般很難確定。如果TG曲線下降段切線有時不好畫時，美國ASTM規定把過5%與50%兩點的直線與基線的延長線的交點定義為分解溫度；國際標準局(ISO)規定，把失重20%和50%兩點的直線與基線的延長線的交點定義為分解溫度。

華通特種工程塑膠研究中心PE的TG曲線

聚合物熱穩定性的評價

評價聚合物熱穩定性最簡單、方便的方法，是做不同材料的TG曲線並畫在一張圖上比較。右圖測定了五種聚合物的熱重曲線，由圖可知，PMMA、PE、PTFE都可以完全分解，但熱穩定性依次增加。PVC穩定性較差，第一步失重階段是脫HCl，發生在200～300℃，脫HCl後分子內形成共軛雙鍵，熱穩定性提高(TG曲線下降緩慢)，直至較高溫度約420℃時大分子鏈斷裂，形成第二次失重。PMMA分解溫度低是分子鏈中叔碳和季碳原子的鍵易斷裂所致，PTFE是由於鏈中C-F鍵鍵能大，故熱穩定性大大提高。聚醯亞胺PI由於含有大量的芳雜環結構，需850℃才分解40%左右，熱穩定性較強。

分析套用

熱重法的重要特點是定量性強，能準確地測量物質的質量變化及變化的速率，可以說，只要物質受熱時發生重量的變化，就可以用熱重法來研究其變化過程。熱重法所測的性質包括腐蝕，高溫分解，吸附 /解吸附，溶劑的損耗，氧化 /還原反應，水合 /脫水，分解，黑煙末等，目前廣泛套用於塑膠、橡膠、塗料、藥品、催化劑、無機材料、金屬材料與複合材料等各領域的研究開發、工藝最佳化與質量監控。具體包括：

無機物、有機物及聚合物的熱分解； 金屬在高溫下受各種氣體的腐蝕過程； 固態反應； 礦物的煅燒和冶煉； 液體的蒸餾和汽化； 煤、石油和木材的熱解過程； 含濕量、揮發物及灰分含量的測定； 升華過程； 脫水和吸濕； 爆炸材料的研究； 反應動力學的研究； 發現新化合物； 吸附和解吸； 催化活度的測定； 表面積的測定； 氧化穩定性和還原穩定性的研究； 反應機制的研究。

分析舉列

使樣品處於程式控制的溫度下,觀察樣品的質量隨溫度或時間的函式。廣泛套用於塑膠、橡膠、塗料、藥品、催化劑、無機材料、金屬材料與複合材料等各領域的研究開發、工藝最佳化與質量監控。

測量物質的重量變化（在受控氣氛內受溫度變化）。所有塞塔拉姆天平都滿足最高的精確度和穩定性標準。由熱重分析儀(TGA) 所測的性質包括腐蝕，高溫分解，吸附 /解吸附，溶劑的損耗，氧化 /還原反應，水合 /脫水，分解，黑煙末等

儀器特點：

溫度範圍: RT ～ 1000℃

加熱與冷卻速率快。

有效精度：1μg (內部精度: 0.1μg)

真空密封結構。

直接測定樣品溫度。

頂部裝樣設計,操作簡易。

易與紅外(FTIR)、氣相質譜(QMS)、脈衝熱分析(PulseTA) 及氣相分析(GC)聯用。

提供 c-DTA（計算型 DTA）功能（選件)

Super-Res（速率控制質量變化）功能（選件）

自動進樣系統 ASC（選件）

TG 209 C 熱重實驗步驟

稱取適當重量樣品於坩堝中。

打開蓋子 - 裝入樣品坩堝 - 關上蓋子

在軟體中設定溫度程式與氣氛等條件。

初始化工作條件，如氣體流量、抽真空等。

開始測量。

實驗結束後，使用 NETZSCH - Proteus 軟體對原始數據進行分析。

熱重分析

熱重分析（Thermogravimetric Analysis，TG或TGA）是指在程式控制溫度下測量待測樣品的質量與溫度變化關係的一種熱分析技術，用來研究材料的熱穩定性和組分。TGA在研發和質量控制方面都是比較常用的檢測手段。熱重分析在實際的材料分析中經常與其他分析方法聯用，進行綜合熱分析，全面準確分析材料。

種類

熱重分析通常可分為兩類：動態法和靜態法。

1、靜態法：包括等壓質量變化測定和等溫質量變化測定。等壓質量變化測定是指在程式控制溫度下，測量物質在恆定揮發物分壓下平衡質量與溫度關係的一種方法。等溫質量變化測定是指在恆溫條件下測量物質質量與壓力關係的一種方法。這種方法準確度高，但是費時。

2、動態法：就是我們常說的熱重分析和微商熱重分析。微商熱重分析又稱導數熱重分析（DerivativeThermogravimetry，簡稱DTG），它是TG曲線對溫度（或時間）的一階導數。以物質的質量變化速率（dm/dt） 對溫度T（或時間t）作圖，即得DTG曲線。

儀器構造

進行熱重分析的基本儀器為熱天平，它包括天平、爐子、程式控溫系統、記錄系統等幾個部分。除熱天平外，還有彈簧秤。

熱重分析儀結構：

試樣支持器；

爐子；

測溫熱電偶；

感測器；

平衡錘；

阻尼和天平復位器；

天平；

阻尼信號

套用

熱重分析法可以研究晶體性質的變化，如熔化、蒸發、升華和吸附等物質的物理現象；研究物質的熱穩定性、分解過程、脫水、解離、氧化、還原、成份的定量分析、添加劑與填充劑影響、水份與揮發物、反應動力學等化學現象。

廣泛套用於塑膠、橡膠、塗料、藥品、催化劑、無機材料、金屬材料與複合材料等各領域的研究開發、工藝最佳化與質量監控。

熱重法的重要特點是定量性強，能準確地測量物質的質量變化及變化的速率，可以說，只要物質受熱時發生重量的變化，就可以用熱重法來研究其變化過程。熱重法已在下述諸方面得到套用：

無機物、有機物及聚合物的熱分解；

金屬在高溫下受各種氣體的腐蝕過程；

固態反應；

礦物的煅燒和冶煉；

液體的蒸餾和汽化；

煤、石油和木材的熱解過程；

含濕量、揮發物及灰分含量的測定；

升華過程；

脫水和吸濕；

爆炸材料的研究；

反應動力學的研究；

發現新化合物；

吸附和解吸；

催化活度的測定；

表面積的測定；

氧化穩定性和還原穩定性的研究；

反應機制的研究。

還可以作為測量固體表面酸鹼度的表征手段。