2022年热重分析仪 .pdf

热重分析仪热重分析仪原理热重分析仪（ Thermo Gravimetric Analyzer ）是一种利用热重法检测物质温度-质量变化关系的仪器。 热重法是在程序控温下， 测量物质的质量随温度 (或时间 )的变化关系。热重分 析仪方法当被测物 质在加热过程中有升华、汽化、分解出气体或失去结晶水时，被测的物质质量就会发生变化。这时热重曲线就不是直线而是有所下降。通过分析热重曲线，就可以知道被测物质在多少度时产生变化，并且根据失重量，可以计算失去了多少物质，（如 CuSO4 5H2O中的结 晶水）。从热重曲线上我们就可以知道CuSO4 5H2O中的 5 个结晶水是分三步脱去的。通过 TGA 实验有助于 研究晶体性质的变化，如熔化、蒸发、升华和吸附等物质的物理现象；也有助于研究物质的脱水、解离、氧化、还原等物质的化学现象。热重分析通常可分为两类：动态( 升温 ) 和静态 ( 恒温 )。 热重法试验得到的曲线称为热重曲线(TG 曲线 )，TG曲线以质量作纵坐标，从上向下表示质量减少；以温度 (或 时间 )作横坐标， 自左至右表示温度(或时间 )增加。热重分 析仪的工作原理热重分析 仪主要由天平、炉子、程序控温系统、记录系统等几个部分构成。最常用的 测量的原理有两种，即变位法和零位法。所谓变位法，是根据天平梁倾斜度与质量变化成比例的关系，用差动变压器等检知倾斜度，并自动记录。零位法是采用差动变压器法、光学法测定天平梁的倾斜度，然后去调整安装在天平系统和磁场中线圈的电流，使线圈转动恢复天平梁名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 1 页，共 5 页 - - - - - - - - - 的倾斜，即所谓零位法。由于线圈转动所施加的力与质量变化成比例，这个力又与线圈中的电流成比例，因此只需测量并记录电流的变化，便可得到质量变化的曲线。影响热 重分析的因素试样量 和试样皿热重法测 定，试样量要少，一般25mg 。一方面是因为仪器天平灵敏度很高 (可达 01 g)，另一方面如果试样量多，传质阻力越大，试样内部温度梯度大，甚至试样产生热效应会使试样温度偏离线性程序升温，使 TG曲线发生变化，粒度也是越细越好，尽可能将试样铺平，如粒度大，会使分解反应移向高温。试样皿的 材质，要求耐高温，对试样、中间产物、最终产物和气氛都是惰性的，即不能有反应活性和催化活性。通常用的试样皿有铂金的、陶瓷、石英、玻璃、铝等。特别要注意，不同的样品要采用不同材质的试样皿，否则会损坏试样皿，如：碳酸钠会在高温时与石英、陶瓷中的 SiO2 反应生成硅酸钠，所以象碳酸钠一类碱性样品，测试时不要用铝、石英、玻璃、陶瓷试样皿。铂金试样皿，对有加氢或脱氢的有机物有活性，也不适合作含磷、硫和卤素的聚合物样品，因此要加以选择。升温速 率升温速度 越快，温度滞后越严重，如聚苯乙烯在N2中分解，当分解程度都取失 重 10时，用 1 /min 测定为 357，用 5 /min 测定为 394相差 37 。升温速度快 ，使曲线的分辨力下降，会丢失某些中间产物的信息，如对含水化合物慢升温可以检出分步失水的一些中间物。气氛的 影响热天平周 围气氛的改变对TG曲线影响显著， CaCO3 在真 空、空气和CO2三种气氛中 的 TG曲线，其分 解温度相差近600，原因在于CO2是 CaCO3分解产物，气氛中存在CO2会抑制 CaCO3 的分 解，使分解温度提高。聚丙烯在 空气中， 150 180下会有明显增重，这是聚丙烯氧化的结果，在 N2中就没有增重。气流速度一般为40ml min，流速大对传热和溢出气体扩散有利。挥发物 的冷凝名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 2 页，共 5 页 - - - - - - - - - 分解产物 从样品中挥发出来，往往会在低温处再冷凝，如果冷凝在吊丝式试样皿上会造成测得失重结果偏低，而当温度进一步升高，冷凝物再次挥发会产生假失重，使TG曲线变形。解决的办法，一般采用加大气体的流速，使挥发物立即离开试样皿。浮力浮力变化 是由于升温使样品周围的气体热膨胀从而相对密度下降，浮力减小， 使样品表 观增重。 如：300时的浮 力可降低到常温时浮力的一半，900时可降低到约1 4。实用校正方法是做空白试验， ( 空载热重 实验 ) ，消除表观增重。TG失重曲线的处理和计算TG曲线关键温度表示法失重曲线 上的温度值常用来比较材料的热稳定性，所以如何确定和选择十分重要，至今还没有统一的规定。但人们为了分析和比较的需要，也有了一些大家认可的确定方法。A点叫起始分解温度，是 TG曲线开 始偏离基线点的温度；B点叫外延起始温度，是曲线下降段切线与基线延长线的交点。 C点叫外延终止温度，是这条切线与最大失重线的交点。 D点是 TG曲线到达最大失重时的温度， 叫终止温度。 E、F、 G分别为失 重率为 5、10 、50时的温度 ，失重率为50的温度 又称半寿温度。其中B点温度 重复性最好，所以多采用此点温度表示材料的稳定性。当然也有采用A点的，但此点由于诸多因素一般很难确定。 如果了 TG曲线下降段切线有时不好划时，美国 ASTM 规 定把过 5与 50两点的直线与基线的延长线的交点定义为分解温度；国际标准局 (ISO) 规 定，把失重20和 50两点的直线与基线的延长线的交点定义为分解温度。聚合物 热稳定性的评价评价聚合 物热稳定性最简单、方便的方法，是做不同材料的TG曲线并画在一张图上比较。右图测定了五种聚合物的热重曲线，由图可知， PMMA 、PE、PTFE都可以完全分解，但热稳定性依次增加。PVC稳定性较差，第一步失重阶段是脱 HCl，发生 在 200300，脱HCl 后分子内形成共轭双键，热稳定性提高(TG曲线下降缓慢)， 直 至较高温度约4200时大分子链断裂，形成第二次失重。 PMMA 分解温度低是分子链中叔碳和季碳原子的键易断裂所致， PTFE是由 于链中 C-F 键键能大，故热稳定性大大提高。聚酰亚胺PI由于含有大量的芳杂环结构，需850才分解40左右，热稳定性较强。名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 3 页，共 5 页 - - - - - - - - - 热重分 析的应用热重法的 重要特点是定量性强，能准确地测量物质的质量变化及变化的速率，可以说，只要物质受热时发生重量的变化，就可以用热重法来研究其变化过程。热重法所测的性质包括腐蚀， 高温分 解，吸附/ 解吸附，溶剂的损耗，氧化/还原反应，水合 / 脱水，分 解，黑烟末等，目前广泛应用于塑料、橡胶、涂料、药品、催化剂、无机材料、金属材料与复合材料等各领域的研究开发、工艺优化与质量监控。具体包括：无机物 、有机物及聚合物的热分解； 金属在高温下受各种气体的腐蚀过程；固态 反应；矿物的煅烧和冶炼；液体的蒸馏和汽化；煤、石 油和木材的热解过程；含湿量 、挥发物及灰分含量的测定；升华过程 ； 脱水和吸湿；爆炸材料的研究；反应动力学 的研究；发现新化合物；吸附和解吸 ； 催化活度的测定；表面积的测定；氧化稳定 性和还原稳定性的研究；反 应机制的研究。热重分 析举列使样品处 于程序控制的温度下, 观察样品的质量随温度或时间的函数。广泛应用于塑料、橡胶、涂料、药品、催化剂、无机材料、金属材料与复合材料等各领域的研究开发、工艺优化与质量监控。测量物质 的重量变化（在受控气氛内受温度变化）。所有塞塔拉姆天平都满足最高的精确度和稳定性标准。由热重分析仪 (TGA) 所测的性质包括腐蚀，高温分解，吸附/ 解吸附，溶剂的损耗，氧化 / 还原反应，水合/脱水，分解，黑烟末等仪器特点 ：温度范围 : RT 1000 加热与冷 却速率快。有效精度 ：1g ( 内部精度 : 0.1 g) 真空密封 结构。名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 4 页，共 5 页 - - - - - - - - - 直接测定 样品温度。顶部装样 设计 , 操作简易 。易与红外 (FTIR) 、气相质谱 (QMS)、脉冲 热分析 (PulseTA) 及气相分析(GC)联用。提供c-DTA（计算型DTA ）功能（选件) Super-Res （速率控制质量变化）功能（选件）自动进样 系统 ASC（选 件）TG 209 C 热重实验步骤称取适当 重量样品于坩埚中。打开盖子 - 装入样品 坩埚 - 关上盖 子在软件中 设定温度程序与气氛等条件。初始化工 作条件，如气体流量、抽真空等。开始测量 。实验结束 后，使用 NETZSCH - Proteus 软件对原始数据进行分析。名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 5 页，共 5 页 - - - - - - - - -