熱重分析儀(Thermal Gravimetric Analyzer)是種利用熱重法檢測(cè)物質(zhì)溫度-質(zhì)量變化關(guān)系的儀器。熱重法是在程序控溫下，測(cè)量物質(zhì)的質(zhì)量隨溫度(或時(shí)間)的變化關(guān)系。

當(dāng)被測(cè)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(shí)，被測(cè)的物質(zhì)質(zhì)量就會(huì)發(fā)生變化。這時(shí)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(cè)物質(zhì)在多少度時(shí)產(chǎn)生變化，并且根據(jù)失重量，可以計(jì)算失去了多少物質(zhì)，(如CuSO4·5H2O中的結(jié)晶水)。

分析方法

從熱重曲線上我們就可以知道CuSO4·5H2O中的5個(gè)結(jié)晶水是分三步脫去的。通過TGA 實(shí)驗(yàn)有助于研究晶體性質(zhì)的變化，如熔化、蒸發(fā)、升華和吸附等物質(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(xué)現(xiàn)象。熱重分析通?？煞譃閮深?動(dòng)態(tài)(升溫)和靜態(tài)(恒溫)。熱重法試驗(yàn)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(biāo)，從上向下表示質(zhì)量減少;以溫度(或時(shí)間)作橫坐標(biāo)，自左至右表示溫度(或時(shí)間)增加。

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(gè)分構(gòu)成。

zui常用的測(cè)量的原理有兩種，即變位法和零位法。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(guān)系，用差動(dòng)變壓器等檢知傾斜度，并自動(dòng)記錄。零位法是采用差動(dòng)變壓器法、光學(xué)法測(cè)定天平梁的傾斜度，然后去調(diào)整安裝在天平系統(tǒng)和磁場(chǎng)中線圈的電，使線圈轉(zhuǎn)動(dòng)恢復(fù)天平梁的傾斜，即所謂零位法。由于線圈轉(zhuǎn)動(dòng)所施加的力與質(zhì)量變化成比例，這個(gè)力又與線圈中的電成比例，因此只需測(cè)量并記錄電的變化，便可得到質(zhì)量變化的曲線。

影響因素

試樣量和試樣皿

熱重法測(cè)定，試樣量要少，般2~5mg。方面是因?yàn)閮x器天平靈敏度很(可達(dá)0.1μg)，另方面如果試樣量多，傳質(zhì)阻力越大，試樣內(nèi)溫度梯度大，甚至試樣產(chǎn)生熱效應(yīng)會(huì)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(xì)越好，盡可能將試樣鋪平，如粒度大，會(huì)使分解反應(yīng)移向溫。

試樣皿的材質(zhì)，要求耐溫，對(duì)試樣、中間產(chǎn)物、zui終產(chǎn)物和氣氛都是惰性的，即不能有反應(yīng)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。別要注意，不同的樣品要采用不同材質(zhì)的試樣皿，否則會(huì)損壞試樣皿，如:碳酸鈉會(huì)在溫時(shí)與石英、陶瓷中的SiO2反應(yīng)生成硅酸鈉，所以象碳酸鈉類堿性樣品，測(cè)試時(shí)不要用鋁、石英、玻璃、陶瓷試樣皿。鉑金試樣皿，對(duì)有加氫或脫氫的有機(jī)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，溫度滯后越嚴(yán)重，如聚苯乙烯在N2中分解，當(dāng)分解程度都取失重10%時(shí)，用1℃/min測(cè)定為357℃，用5℃/min測(cè)定為394℃相差37℃。升溫速度快，使曲線的分辨力下降，會(huì)丟失某些中間產(chǎn)物的信息，如對(duì)含水化合物慢升溫可以檢出分步失水的些中間物。

氣氛影響

熱天平周圍氣氛的改變對(duì)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℃，原因在于CO2是CaCO3分解產(chǎn)物，氣氛中存在CO2會(huì)抑制CaCO3的分解，使分解溫度提。

聚丙烯在空氣中，150~180℃下會(huì)有明顯增重，這是聚丙烯氧化的結(jié)果，在N2中就沒有增重。氣速度般為40ml/min，速大對(duì)傳熱和溢出氣體擴(kuò)散有利。

揮發(fā)物冷凝

分解產(chǎn)物從樣品中揮發(fā)出來(lái)，往往會(huì)在低溫處再冷凝，如果冷凝在吊絲式試樣皿上會(huì)成測(cè)得失重結(jié)果偏低，而當(dāng)溫度步升，冷凝物再次揮發(fā)會(huì)產(chǎn)生假失重，使TG曲線變形。解決的辦法，般采用加大氣體的速，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(duì)密度下降，浮力減小，使樣品表觀增重。如:300℃時(shí)的浮力可降低到常溫時(shí)浮力的半，900℃時(shí)可降低到約1/4。實(shí)用校正方法是做試驗(yàn)，(空載熱重實(shí)驗(yàn))，消除表觀增重。

TG曲線關(guān)鍵溫度表示法

失重曲線上的溫度值常用來(lái)材料的熱穩(wěn)定性，所以如何確定和選擇十分重要，至今華通種程塑料研究中心PE的TG曲線還沒有統(tǒng)的規(guī)定。但人們?yōu)榱朔治龊偷男枰?，也有了些大家認(rèn)可的確定方法。A點(diǎn)叫起始分解溫度，是TG曲線開始偏離基線點(diǎn)的溫度;B點(diǎn)叫外延起始溫度，是曲線下降段切線與基線延長(zhǎng)線的交點(diǎn)。C點(diǎn)叫外延終止溫度，是這條切線與zui大失重線的交點(diǎn)。D點(diǎn)是TG曲線到達(dá)zui大失重時(shí)的溫度，叫終止溫度。E、F、G分別為失重率為5%、10%、50%時(shí)的溫度，失重率為50%的溫度又稱半壽溫度。其中B點(diǎn)溫度重復(fù)性，所以多采用此點(diǎn)溫度表示材料的穩(wěn)定性。當(dāng)然也有采用A點(diǎn)的，但此點(diǎn)由于諸多因素般很難確定。如果TG曲線下降段切線有時(shí)不好畫時(shí)，美ASTM規(guī)定把過5%與50%兩點(diǎn)的直線與基線的延長(zhǎng)線的交點(diǎn)定義為分解溫度;際標(biāo)準(zhǔn)局(ISO)規(guī)定，把失重20%和50%兩點(diǎn)的直線與基線的延長(zhǎng)線的交點(diǎn)定義為分解溫度。

聚合物熱穩(wěn)定性的評(píng)價(jià)

評(píng)價(jià)聚合物熱穩(wěn)定性zui簡(jiǎn)單、方便的方法，是做不同材料的TG曲線并畫在張圖上。右圖測(cè)定了五種聚合物的熱重曲線，由圖可知，PMMA、PE、PTFE都可以分解，但熱穩(wěn)定性依次增加。PVC穩(wěn)定性較差，*步失重階段是脫HCl，發(fā)生在200~300℃，脫HCl后分子內(nèi)形成共軛雙鍵，熱穩(wěn)定性提(TG曲線下降緩慢)，直至較溫度約420℃時(shí)大分子鏈斷裂，形成二次失重。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是由于鏈中C-F鍵鍵能大，故熱穩(wěn)定性大大提。聚酰亞胺PI由于含有大量的芳雜環(huán)結(jié)構(gòu)，需850℃才分解40%左右，熱穩(wěn)定性較強(qiáng)。

分析應(yīng)用

熱重法的重要點(diǎn)是定量性強(qiáng)，能準(zhǔn)確地測(cè)量物質(zhì)的質(zhì)量變化及變化的速率，可以說(shuō)，只要物質(zhì)受熱時(shí)發(fā)生重量的變化，就可以用熱重法來(lái)研究其變化過程。熱重法所測(cè)的性質(zhì)包括腐蝕，溫分解，吸附 /解吸附，溶劑的損耗，氧化 /還原反應(yīng)，水合 /脫水，分解，黑煙末等，目前廣泛應(yīng)用于塑料、橡膠、涂料、藥品、催化劑、無(wú)機(jī)材料、金屬材料與復(fù)合材料等各域的研究開發(fā)、優(yōu)化與質(zhì)量監(jiān)控。具體包括:

無(wú)機(jī)物、有機(jī)物及聚合物的熱分解; 金屬在溫下受各種氣體的腐蝕過程; 固態(tài)反應(yīng); 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(fā)物及灰分含量的測(cè)定; 升華過程; 脫水和吸濕; 炸材料的研究; 反應(yīng)動(dòng)力學(xué)的研究; 發(fā)現(xiàn)新化合物; 吸附和解吸; 催化活度的測(cè)定; 表面積的測(cè)定; 氧化穩(wěn)定性和還原穩(wěn)定性的研究; 反應(yīng)機(jī)制的研究。