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1、材料分析与材料分析与检测热失重分析失重分析(TG)热分析概述热分析概述 定义热分析是在程程序序控控制制温温度度下，测量物质的物物理理性性质质与温温度度关系的一类技术。国际热分析协会ICTA （International Confederation for Thermal Analysis)所谓“程序控制温度”是指用固定的速率加热或冷却，所谓“物理性质”则包括物质的质量、温度、热焓、尺寸、机械、电学及磁学性质等。ICTA对热分析技术的分类(9类17种）物理性质分析技术名称简称物理性质分析技术名称简称1.质量1）热重法）热重法TG3.热焓9)差示扫描量热法差示扫描量热法DSC2）等压质量变化测定4
2、.尺寸10)热膨胀法3)逸出气体检测EGD5.力学特性11)热机械分析TMA4)逸出气体分析EGA12)动态热机械分析DMA5)放射热分析6.声学特性13)热发声法6)热微粒分析14)热声学法2.温度7)加热曲线测定7.光学特性15)热光学法8)差热分析差热分析DTA8.电学特性16)热电学法9.磁学特性17)热磁学法应应用用在上述热分析技术中，热重法、差热分析以及差示扫描量热法应用的最为广泛。研究物理变化（如晶型转变、熔融、升华、吸附等）和化学变化（脱水、分解、氧化和还原等）。范围：无机物（金属、矿物、陶瓷材料等）有机物、高聚物、药物、络合物、液晶和生物高分子等。应用领域：化学化工、冶金、地
3、质、物理、陶瓷、建材、生物化学、药物、地球化学、航天、石油、煤炭、环保、考古、食品等。 热分析的应用类型热分析的应用类型成份分析：无机物、有机物、药物和高聚物的鉴别和分析以及它们的相图研究。稳定性测定：物质的热稳定性、抗氧化性能的测定等物质的热稳定性、抗氧化性能的测定等。化学反应的研究：比如固-气反应研究、催化性能测定、反应动力学研究、反应热测定、相变和结晶过程研究。热重法热重法 （THERMOGRAVIMETRY TG )定义：在程序控制温度下，测量物质物质质量质量与温度温度关系的一种技术。 m = f(T)是使用最多、最广泛的热分析技术。类型： 两种1.等温（或静态）热重法：恒温2.非等温
4、（或动态）热重法：程序升温热重曲线（热重曲线（TG曲线）曲线）由TG实验获得的曲线。记录质量变化对温度的关系曲线。纵坐标是质量（从上向下表示质量减少） ，横坐标为温度或时间。TG特点特点:定量性强，能准确地测量物质的质量变化及变化的速率，不管引起这种变化的是化学的还是物理的。微商热重曲线（微商热重曲线（DTG曲线）曲线）从 热 重 法 可 派 生 出 微 商 热 重 （ Derivative Thermogravimetry）,它是TG曲曲线线对对温温度度（或或时时间间）的的一一阶导数阶导数。纵坐标为dm/dt，横坐标为温度或时间基本原理基本原理TG与DTG的测量都要依靠热天平，主要介绍热天平
5、及热重测量的原理。 热热天天平平是实现热重测量技术而制作的仪器，它是在普通分析天平基础上发展起来的，具有一些特殊要求的精密仪器：（1）程程序序控控温温系系统统及及加加热热炉炉，炉炉子子的的热热辐辐射射和和磁磁场场对热重测量的影响尽可能小；对热重测量的影响尽可能小；（2）高精度的重量与温度测量及记录系统；）高精度的重量与温度测量及记录系统；（3）能能满满足足在在各各种种气气氛氛和和真真空空中中进进行行测测量量的的要要求求；（4）能与其它热分析方法联用。）能与其它热分析方法联用。根根据据试试样样与与天天平平横横梁梁支支撑撑点点之之间间的的相相对对位位置置，热热天天平可分为下皿式，上皿式与水平式三种
6、。平可分为下皿式，上皿式与水平式三种。热天平种类热天平种类热天平测量原理热天平测量原理当天平左边称盘中试样因受热当天平左边称盘中试样因受热产生重量变化时，天平横梁连产生重量变化时，天平横梁连同光栏则向上或向下摆动，此同光栏则向上或向下摆动，此时接收元件（光敏三极管）接时接收元件（光敏三极管）接收到的光源照射强度发生变化，收到的光源照射强度发生变化，使其输出的电信号发生变化。使其输出的电信号发生变化。这种变化的电信号送给测重单这种变化的电信号送给测重单元，经放大后再送给磁铁外线元，经放大后再送给磁铁外线圈，使磁铁产生与重量变化相圈，使磁铁产生与重量变化相反的作用力，天平达到平衡状反的作用力，天平
7、达到平衡状态。因此，只要测量通过线圈态。因此，只要测量通过线圈电流的大小变化，就能知道试电流的大小变化，就能知道试样重量的变化。样重量的变化。设设试试样样质质量量为为m，则则其其所所受受重重力力为为F1=mg，而而线线圈圈中中电电流流I在在磁磁场场作作用用下下对对磁磁铁铁的的作作用用力力为为：F2= nBI (n为为线线圈圈匝匝数数，B为为磁磁场场强强度度)，天平平衡时，天平平衡时，若若将将此此电电流流输输送送给给记记录录仪仪记记录录下下来来，可可获获得得试试样样质质量量随随温温度度的的变变化化曲曲线线，即即TG曲线。曲线。热重与微商热重曲线热重与微商热重曲线TG曲线：曲线： 理想的TG曲线是
8、一些直角台阶，台阶大小表示重量变化量，一个台阶表示一个热失重，两个台阶之间的水平区域代表试样稳定存在的温度范围，这是假定试样的热失重是在某一个温度下同时发生和完成。 但实际过程并非如此，试样的热分解反应是有一个过程的，在曲线上表现为曲线的过渡和斜坡，甚至两次失重之间有重叠区。曲线的过渡和斜坡，甚至两次失重之间有重叠区。AB段：段：热重基线B点：点：Ti 起始温度C点：点：Tf 终止温度D点点：Te外推起始温度，外推基线与TG线最大斜率切线交点。DTG曲线上出现的各种峰对应着曲线上出现的各种峰对应着TG线的各个线的各个重量变化阶段。重量变化阶段。DTG曲线的优点能准确反映出起始反应温度Ti，最大
9、反应速率温度Te和Tf 。更能清楚地区分相继发生的热重变化反应，DTG比TG分辨率更高。DTG曲线峰的面积精确对应着变化了的样品重量，较TG能更精确地进行定量分析。能方便地为反应动力学计算提供反应速率（dm/dt）数据。DTG与DTA(差热分析）具有可比性，通过比较，能判断出是重量变化引起的峰还是热量变化引起的峰。TG对此无能为力。例例：含含有有一一个个结结晶晶水水的的草草酸酸钙钙的的TG曲曲线线和和DTG曲线曲线CaC2O4H2OCaC2O4+H2O （100-200，失重量12.5% ）CaC2O4CaCO3+CO （400-500，失重量18.5%）CaCO3CaO+CO2 （600-8
10、00，失重量30.5% ）影响热重法测定结果的影响热重法测定结果的因素因素一、仪器因素一、仪器因素二、试样因素升温速率升温速率炉内气氛炉内气氛记录纸速记录纸速支持器及坩埚材料支持器及坩埚材料炉子的几何形状炉子的几何形状热天平灵敏度热天平灵敏度 u试样对热重分析试样对热重分析的影响很复杂的影响很复杂u试样用量、粒度试样用量、粒度(1) 升温速率升温速率对热重法影响比较大。升温速率越大，所产生的热热滞滞后后现象越严重，往往导致热重曲线上的起始温度Ti和终止温度Tf偏高。虽然分解温度随升温速率变化而变化，但失重量保持恒定。中间产物的检测与升温速率密切相关，升温速率快不利于中间产物的检出，因为TG曲线
11、上拐点变得不明显，而慢的升温速率可得到明确的实验结果。热重测量中的升温速率不宜太快，一般以以0.5-6/min为宜为宜。(2) 气氛的影响气氛的影响热重法通常可在静态气氛或动态气氛下进行测定。在静态气氛下，如果测定的是一个可逆的分解反应，随着温度的升高，分解速率增大。但由于试样周围气体浓度增加会使分解速率下降。另外炉内气体的对流可造成样品周围的气体浓度不断变化。这些因素会严重影响实验结果，所以通常不采用静态气氛通常不采用静态气氛。为了获得重复性好的实验结果，一般在严格控制的条件下采用动态气氛。一般在严格控制的条件下采用动态气氛。试样周围气氛对热分解过程有较大的影响，气氛对TG曲线的影响与反应类
12、型、分解产物的性质和气氛的种类有关。与反应类型、分解产物的性质和气氛的种类有关。在测定过程中，通入惰性气体，对1、2是有利的，而对3不利；如果所通气体与反应产生的气体相同，对1有影响，而对2无影响。热重法所研究的反应大致有下列三种类型热重法所研究的反应大致有下列三种类型: :(1) 试样量试样量试样用量的影响大致有下列三个方面：p试样吸热或放热反应会引起试样温度偏离线性程序温度，发生偏差，越大影响越大。p反应产生的气体通过试样粒子间空隙向外扩散速率受试样量的影响，试样量越大，扩散阻力越大。p试样量越大，本身的温度梯度越大。试样用量大对热传导和气体扩散都不利。应在热重分析仪灵敏度范围尽量小。用量
13、少,所测结果较好,反映热分解反应中间过程的平台很明显。为提高检测中间产物的灵敏度应采用少量试样。（2）试样粒度）试样粒度对热传导，气体扩散有较大影响。如粒度的不同会引起气体产物的扩散过程较大的变化，这种变化可导致反应速率和TG曲线形状的改变。粒粒度度越越小小，反反应应速速率率越越快快，使TG曲线上的Ti和Tf温度降低，反应区间变窄。试样粒度大往往得不到较好的TG曲线。粒度减小不仅使热分解温度下降，而且也使分解反应进行的很完全。（3）其它）其它试样的反应热、导热性、比热等因素都对TG曲线有影响。反应热会引起试样的温度高于或低于炉温，这将对计算动力学数据带来严重的误差。气体分解产物在固体试样中的吸
14、附也会影响TG曲线。可以通过无盖大口径坩埚，薄试样层或使惰性气氛流过炉子以减少吸附。热重曲线的分析和计算方法热重曲线的分析和计算方法热重分析的应用热重分析的应用热重法可精确测定物质质量的变化，热重法可精确测定物质质量的变化，定量分析定量分析热重法大致可用于以下几个方面：热重法大致可用于以下几个方面：p物质的成分分析物质的成分分析p物质的热分解过程和热解机理物质的热分解过程和热解机理p在不同气氛下物质的热性质在不同气氛下物质的热性质p相图的测定相图的测定p水分和挥发物的分析水分和挥发物的分析p升华和蒸发速率升华和蒸发速率p氧化还原反应氧化还原反应p高聚物的热氧化降解高聚物的热氧化降解p反应动力学
15、研究反应动力学研究TG应用用 对结晶硫酸晶硫酸铜的分析的分析 CuSO45H2O= CuSO43 H2O+2 H2O CuSO43 H2O= CuSO4H2O+2 H2O CuSO4H2O= CuSO4+ H2O肼分解催化剂焙烧温度的选择肼分解催化剂焙烧温度的选择 肼肼分分解解催催化化剂剂是是以以Al2O3为为载载体体，浸浸渍渍后后的的组组成成为为H2IrCl6/Al2O3。为为将将负负载载H2IrCl6分分解解为为IrCl3，要要求求在在氮氮气气下下进进行行焙焙烧烧。图图1为为H2IrCl6/Al2O3于于氮氮气气下下的焙烧的焙烧TG-DTG曲线。曲线。DTG出现两个峰，TG曲线上皆有对应的
16、失重。第一个峰出现在150之前，为脱表面吸附水峰；第二个峰出现在240400温区，为负载H2IrCl6的分解峰。 H2IrCl6/Al2O3IrCl3/Al2O3+2HCl+1/2Cl2 显然，对肼分解催化剂，其焙烧温度系指负载盐分解终了的温度。故由其焙烧的TG-DTG曲线，可以直接确定肼分解催化剂的焙烧温度为400。 材料成分测定材料成分测定热热重重法法测测定定材材料料成成分分是是极极为为方方便便的的，通通过过热热重重曲曲线线可可以以把把材材料尤其是高聚物的含量、含碳量和灰分测定出来。料尤其是高聚物的含量、含碳量和灰分测定出来。利利用用共共混混物物中中各各组组分分的的分分解解温温度度的的差差
17、异异，热热重重法法也也可可用用于于共共混物的测定。混物的测定。聚四氟乙烯与缩醛共聚物含量的测试材料中挥发性物质的测定材料中挥发性物质的测定在材料尤其是塑料加工过程中溢出的挥发性物质、即使极少在材料尤其是塑料加工过程中溢出的挥发性物质、即使极少量的水分、单体或溶剂都会产生小的气泡，从而使产品性能和量的水分、单体或溶剂都会产生小的气泡，从而使产品性能和外观受到影响。热重法能有效地检测出在加工前塑料所含有的外观受到影响。热重法能有效地检测出在加工前塑料所含有的挥发性物质的总含量。挥发性物质的总含量。 玻璃纤维增强尼龙中含水量的测定PVC中增塑剂DOP的测定利用热重法测定发泡剂含量利用热重法测定发泡剂含量
