TGA熱重分析儀

1、TGA熱重分析儀簡介熱重分析儀（Thermo Gravimetric Analyzer）是一種利 用熱重法檢測物質(zhì)溫度-質(zhì)量變化關系的儀器。熱重法是在程序 控溫下，測量物質(zhì)的質(zhì)量隨溫度（或時間）的變化關系。當被測物 質(zhì)在加熱過程中有升華、汽化、分解出氣體或失去結(jié)晶水時，被 測的物質(zhì)質(zhì)量就會發(fā)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(zhì)在多少度時產(chǎn)生 變化，并且根據(jù)失重量，可以計算失去了多少物質(zhì)，（如 CuSO4 - 5H2O中的結(jié)晶水）。從熱重曲線上我們就可以知道 CuSO4 -5H2O中的5個結(jié)晶水是分三步脫去的。通過TGA實 驗有助于研究晶體性質(zhì)的變化

2、，如熔化、蒸發(fā)、升華與吸附等物 質(zhì)的物理現(xiàn)象；也有助于研究物質(zhì)的脫水、解離、氧化、還原等 物質(zhì)的化學現(xiàn)象。熱重分析通?？煞譃閮深悾簞討B(tài)（升溫）與靜態(tài) （恒溫）。熱重法試驗得到的曲線稱為熱重曲線（TG曲線），TG曲線以 質(zhì)量作縱坐標，從上向下表示質(zhì)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、程序控溫系統(tǒng)、記錄系統(tǒng)等 幾個部分構成。最常用的測量的原理有兩種，即變位法與零位法。所謂變位 法，是根據(jù)天平梁傾斜度與質(zhì)量變化成比例的關系，用差動變壓 器等檢知傾斜度，并自動記錄。零位法是采用差動變壓器法、光 學法測定天平梁的傾斜度，然后去調(diào)整安裝在

3、天平系統(tǒng)與磁場中 線圈的電流，使線圈轉(zhuǎn)動恢復天平梁的傾斜，即所謂零位法。由 于線圈轉(zhuǎn)動所施加的力與質(zhì)量變化成比例，這個力又與線圈中的 電流成比例，因此只需測量并記錄電流的變化，便可得到質(zhì)量變 化的曲線。影響熱重分析的因素試樣量與試樣皿熱重法測定，試樣量要少，一般25mg。一方面是因為儀 器天平靈敏度很高（可達。1昭），另一方面如果試樣量多，傳 質(zhì)阻力越大，試樣內(nèi)部溫度梯度大，甚至試樣產(chǎn)生熱效應會使試 樣溫度偏離線性程序升溫，使TG曲線發(fā)生變化，粒度也是越細 越好，盡可能將試樣鋪平，如粒度大，會使分解反應移向高溫。試樣皿的材質(zhì)，要求耐高溫，對試樣、中間產(chǎn)物、最終產(chǎn)物 與氣氛都是惰性的，即不能有反

4、應活性與催化活性。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 樣品要采用不同材質(zhì)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反應生成硅酸鈉，所以象碳 酸鈉一類堿性樣品，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、 硫與鹵素的聚合物樣品，因此要加以選擇。升溫速率升溫速度越快，溫度滯后越嚴重，如聚苯乙烯在N2中分解， 當分解程度都取失重10%時，用1P/min測定為357笆，用5C /min測定為394C相差37C。升溫速度快，使曲線的分辨力 下降，會丟失某些中間產(chǎn)物的信息，如對含水化合

5、物慢升溫可以 檢出分步失水的一些中間物。氣氛的影響熱天平周圍氣氛的改變對TG曲線影響顯著，CaCO3在真 空、空氣與CO2三種氣氛中的TG曲線，其分解溫度相差近 600C，原因在于CO2是CaCO3分解產(chǎn)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，150180C下會有明顯增重，這是聚丙 烯氧化的結(jié)果，在N2中就沒有增重。氣流速度一般為 40ml/min，流速大對傳熱與溢出氣體擴散有利。揮發(fā)物的冷凝分解產(chǎn)物從樣品中揮發(fā)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(jié)果偏低，而當溫度進一 步升高，冷凝物再次揮發(fā)會產(chǎn)生假失重，使TG曲線變形。解

6、決 的辦法，一般采用加大氣體的流速，使揮發(fā)物立即離開試樣皿。浮力浮力變化是由于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：300C時的浮力可降 低到常溫時浮力的一半，900笆時可降低到約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失重曲線的處理與計算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(wěn)定性，所以如何 確定與選擇十分重要，至今還沒有統(tǒng)一的規(guī)定。但人們?yōu)榱朔治?與比較的需要，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。

7、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點溫度重復性最好，所以多采用此點溫度表示材料的穩(wěn)定 性。當然也有采用A點的，但此點由于諸多因素一般很難確定。 如果了 TG曲線下降段切線有時不好劃時，美國ASTM規(guī)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(guī)定，把失重20%與50%兩點的直線與基 線的延長線的交點定義為分解溫度。聚合物熱穩(wěn)定性的評價評價聚合物熱穩(wěn)定性最簡單、方便的方法，是做不同材料的

8、TG曲線并畫在一張圖上比較。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(wěn) 定性依次增加。PVC穩(wěn)定性較差，第一步失重階段是脫HC1, 發(fā)生在200300C，脫HC1后分子內(nèi)形成共軛雙鍵，熱穩(wěn)定 性提高（TG曲線下降緩慢），直至較高溫度約4200C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與 季碳原子的鍵易斷裂所致，PTFE是由于鏈中C-F鍵鍵能大，故 熱穩(wěn)定性大大提高。聚酰亞胺PI由于含有大量的芳雜環(huán)結(jié)構， 需850C才分解40%左右，熱穩(wěn)定性較強。熱重分析的應用熱重法的重要特點是定量性強，能準確地測量物質(zhì)的質(zhì)量變 化及變化

9、的速率，可以說，只要物質(zhì)受熱時發(fā)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(zhì)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，目前廣泛應用于塑料、橡膠、涂料、 藥品、催化劑、無機材料、金屬材料與復合材料等各領域的研究 開發(fā)、工藝優(yōu)化與質(zhì)量監(jiān)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(tài)反應；礦物的煅燒與冶煉；液體的蒸 餾與汽化；煤、石油與木材的熱解過程；含濕量、揮發(fā)物及灰 分含量的測定；升華過程；脫水與吸濕；爆炸材料的研究；反 應動力學的研究；發(fā)現(xiàn)新化合物；吸附與解吸；催化活度的 測定；表面

10、積的測定；氧化穩(wěn)定性與還原穩(wěn)定性的研究；反 應機制的研究。熱重分析舉列使樣品處于程序控制的溫度下，觀察樣品的質(zhì)量隨溫度或時 間的函數(shù)。廣泛應用于塑料、橡膠、涂料、藥品、催化劑、無機 材料、金屬材料與復合材料等各領域的研究開發(fā)、工藝優(yōu)化與質(zhì) 量監(jiān)控。測量物質(zhì)的重量變化（在受控氣氛內(nèi)受溫度變化）。所有塞 塔拉姆天平都滿足最高的精確度與穩(wěn)定性標準。由熱重分析儀 （TGA）所測的性質(zhì)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：溫度范圍：RT1000C加熱與冷卻速率快。有效精度：1昭（內(nèi)部精度：。1昭）真空密封結(jié)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(zhì)譜（QMS）、脈沖熱分析（PulseTA） 及氣相分析（GC）聯(lián)用。提供c-DTA （計算型DTA）功能（選件）S