熱重分析TGA基本原理、分類和應(yīng)用
熱重分析（Thermogravimetric Analysis，TG或TGA）是指在程序控制溫度下測量待測樣品的質(zhì)量與溫度變化關(guān)系的一種熱分析技術(shù)，用來研究材料的熱穩(wěn)定性和組分。TGA在研發(fā)和質(zhì)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(jīng)常與其他分析方法聯(lián)用，進(jìn)行綜合熱分析，全面準(zhǔn)確分析材料。
中文名：熱重分析
外文名：Thermogravimetric Analysis
簡稱： TG或TGA
類屬：熱分析技術(shù)
根據(jù)國際熱分析協(xié)會（International Confederation for Thermal Analysis，縮寫ICTA）的定義，熱重分析指溫度在程序控制時，測量物質(zhì)質(zhì)量與溫度之間的關(guān)系的技術(shù)。這里值得一提的是，定義為質(zhì)量的變化而不是重量變化是基于在磁場作用下，強(qiáng)磁性材料當(dāng)達(dá)到居里點(diǎn)時，雖然無質(zhì)量變化，卻有表觀失重。而熱重分析則指觀測試樣在受熱過程中實質(zhì)上的質(zhì)量變化。熱重分析所用的儀器是熱天平，它的基本原理是，樣品重量變化所引起的天平位移量轉(zhuǎn)化成電磁量，這個微小的電量經(jīng)過放大器放大后，送入記錄儀記錄；而電量的大小正比于樣品的重量變化量。當(dāng)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。TGA 可以得到樣品的熱變化所產(chǎn)生的熱物性方面的信息。
熱重分析儀3D圖
熱重分析圖
種類
熱重分析通?？煞譃閮深悾簞討B(tài)法和靜態(tài)法。
1、靜態(tài)法：包括等壓質(zhì)量變化測定和等溫質(zhì)量變化測定。等壓質(zhì)量變化測定是指在程序控制溫度下，測量物質(zhì)在恒定揮發(fā)物分壓下平衡質(zhì)量與溫度關(guān)系的一種方法。等溫質(zhì)量變化測定是指在恒溫條件下測量物質(zhì)質(zhì)量與壓力關(guān)系的一種方法。這種方法準(zhǔn)確度高，但是費(fèi)時。
2、動態(tài)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(dǎo)數(shù)熱重分析（DerivativeThermogravimetry，簡稱DTG），它是TG曲線對溫度（或時間）的一階導(dǎo)數(shù)。以物質(zhì)的質(zhì)量變化速率（dm/dt） 對溫度T（或時間t）作圖，即得DTG曲線。
熱重分析儀數(shù)據(jù)分析
儀器構(gòu)造
進(jìn)行熱重分析的基本儀器為熱天平，它包括天平、爐子、程序控溫系統(tǒng)、記錄系統(tǒng)等幾個部分。除熱天平外，還有彈簧秤。
熱重分析儀結(jié)構(gòu)：
（1）試樣支持器；
（2）爐子；
（3）測溫?zé)犭娕迹?/p>
（4）傳感器；
（5）平衡錘；
?。?）阻尼和天平復(fù)位器；
?。?）天平；
（8）阻尼信號
熱重分析儀結(jié)構(gòu)
影響因素
影響熱重法測定結(jié)果的因素，大致有下列幾個方面：儀器因素，實驗條件和參數(shù)的選擇，試樣的影響因素等等。
1、浮力及對流的影響。浮力和對流引起熱重曲線的基線漂移。熱天平內(nèi)外溫差造成的對流會影響稱量的精確度。解決方案：空白曲線、熱屏板、冷卻水等。
2、揮發(fā)物冷凝的影響。解決方案：熱屏板。
3、溫度測量的影響。解決方案：利用具特征分解溫度的高純化合物或具特征居里點(diǎn)溫度的強(qiáng)磁性材料進(jìn)行溫度標(biāo)定。
4、升溫速率。升溫速率越大，熱滯后越嚴(yán)重，易導(dǎo)致起始溫度和終止溫度偏高，甚至不利于中間產(chǎn)物的測出。
5、氣氛控制。與反應(yīng)類型、分解產(chǎn)物的性質(zhì)和所通氣體的種類有關(guān)。
6、紙速。走紙速度快，分辨率高。
7、坩堝形狀。
8、試樣因素。試樣用量、粒度、熱性質(zhì)及裝填方式等。用量大，因吸、放熱引起的溫度偏差大，且不利于熱擴(kuò)散和熱傳遞。粒度細(xì)，反應(yīng)速率快，反應(yīng)起始和終止溫度降低，反應(yīng)區(qū)間變窄。粒度粗則反應(yīng)較慢，反應(yīng)滯后。裝填緊密，試樣顆粒間接觸好，利于熱傳導(dǎo)，但不利于擴(kuò)散或氣體。要求裝填薄而均勻。
應(yīng)用
熱重分析法可以研究晶體性質(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；研究物質(zhì)的熱穩(wěn)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(fā)物、反應(yīng)動力學(xué)等化學(xué)現(xiàn)象。
廣泛應(yīng)用于塑料、橡膠、涂料、藥品、催化劑、無機(jī)材料、金屬材料與復(fù)合材料等各領(lǐng)域的研究開發(fā)、工藝優(yōu)化與質(zhì)量監(jiān)控。
熱重法的重要特點(diǎn)是定量性強(qiáng)，能準(zhǔn)確地測量物質(zhì)的質(zhì)量變化及變化的速率，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。熱重法已在下述諸方面得到應(yīng)用：
無機(jī)物、有機(jī)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(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)物及灰分含量的測定；
升華過程；
脫水和吸濕；
爆炸材料的研究；
反應(yīng)動力學(xué)的研究；
發(fā)現(xiàn)新化合物；
吸附和解吸；
催化活度的測定；
表面積的測定；
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。
還可以作為測量固體表面酸堿度的表征手段。
樣品制備
熱重分析樣品制備比較復(fù)雜，需要考慮很多因素，下面是一些常見的樣品制備過程需要考慮的因素：
1：對于要分析的物質(zhì)，樣品需有代表性。
2：制備過程中，樣品需盡可能沒有變化。
3：制備過程中，樣品需沒有受到污染。
4：樣品制備方法應(yīng)該是一致和可重復(fù)的。只有一致的樣品量才較好獲得可對比的TGA數(shù)據(jù)。
5：樣品量的考慮。如果想獲得足夠的精確度，應(yīng)有足夠的樣品量。特別是物質(zhì)揮發(fā)成分非常小或者物質(zhì)非均勻，此時更應(yīng)該加入足夠的樣品量，方能測量準(zhǔn)確。但是試樣量越大，整個試樣的溫度梯度也會加大，對于導(dǎo)熱較差的試樣更甚。而且反應(yīng)產(chǎn)生氣體向外擴(kuò)散的速率與試樣量有關(guān)，試樣量越大，氣體越不容易擴(kuò)散。
6：樣品形態(tài)的考慮。制備過程中，需考慮樣品形態(tài)的影響。樣品的形狀和顆粒大小不同，對熱重分析的氣體產(chǎn)物擴(kuò)散影響亦不同。一般來說大片狀的試樣的分解溫度比顆粒狀的分解溫度高，粗顆粒的分解溫度比細(xì)顆粒的分解溫度高。
7：試樣裝填方法。試樣裝填越緊密，試樣間接觸越好，熱傳導(dǎo)性就越好。這會讓溫度滯后現(xiàn)象變小。但是裝填緊密不利于氣氛與顆粒接觸，阻礙分解氣體擴(kuò)散或逸出。因此可以將試樣放入坩堝之后，輕輕敲一敲，使之形成均勻薄層。[2]
測試標(biāo)準(zhǔn)
ANSI/ASTM D2288-2001 增塑劑受熱重量損耗測試方法(X-15-373-1) Test Method for Weight Loss of Plasticizers on Heating (X-15-373-1) (08.02)
ANSI/ASTM D6375-2009 用熱重分析儀(TGA)測定潤滑油蒸發(fā)損耗的試驗方法(Noack法) Test Method for Evaporation Loss of Lubricating Oils by Thermogravimetric Analyzer (TGA) (Noack Method)
ASTM D6382-1999(2005) 屋頂和防水屋頂膜材料的熱重力和動態(tài)機(jī)械分析的標(biāo)準(zhǔn)操作規(guī)程 Standard Practice for Dynamic Mechanical Analysis and Thermogravimetry of Roofing and Waterproofing Membrane Material
ASTM E2402-2005 熱重分析儀的質(zhì)量損耗和剩余量測量驗證的標(biāo)準(zhǔn)試驗方法 Standard Test Method for Mass Loss and Residue Measurement Validation of Thermogravimetric Analyzers
ASTM E2551-2007 和熱重分析儀一起使用的濕度發(fā)生器濕度校正(或構(gòu)型)的標(biāo)準(zhǔn)試驗方法 Standard Test Method for Humidity Calibration (or Conformation) of Humidity Generators for Use with Thermogravimetric Analyzers
ASTM E2550-2007 熱重分析法測定熱穩(wěn)定性的標(biāo)準(zhǔn)試驗方法 Standard Test Method for Thermal Stability by Thermogravimetry
ASTM E1641-2007 用熱重分析法的分解動力學(xué)用標(biāo)準(zhǔn)試驗方法 Standard Test Method for Decomposition Kinetics by Thermogravimetry
ASTM E2043-1999(2006) 熱重分析法測量農(nóng)業(yè)輔助劑溶液中不揮發(fā)物質(zhì)的標(biāo)準(zhǔn)試驗方法 Standard Test Method for Nonvolatile Matter of Agricultural Adjuvant Solutions by Thermogravimetry
BS EN 60811-4-1-2004 電纜和光纜的絕緣和護(hù)套材料.通用試驗方法.聚丙烯和聚丙烯化合物專用方法.抗環(huán)境應(yīng)力致裂.熔化流動指數(shù)測量 Insulating and sheathing materials of electric and optical cables ?-Common test methods ?-Methods specific to polypropylene and polypropylene compounds ?-Resistance to environmental stress cracking ?-Measurement of the melt flow index ?-Carbon black and/or mineral filter content measurement in PE by direct combustion ?-Measurement of carbon black content by TGA ?-Assessment of carbon black dispersion in polyethylene using a microscope
BS ISO 12989***** 鋁生產(chǎn)用碳素材料.焙燒陽極和側(cè)壁塊.空氣反應(yīng)性的測定.熱重分析法 Carbonaceous materials used in the production of aluminium ?-Baked anodes and sidewall blocks ?-Determination of the reactivity to air ?-Thermogravimetric method
BS EN ISO 11358-1997 塑料.聚合物的熱重分析法(TG).一般原理 Plastics ?-Thermogravimetry (TG) of polymers ?-General principles
BS ISO 11358-*****塑料.高聚物的熱重分析法(TG).活化能測定 Plastics ?-Thermographimetry (TG) of polymers ?-Determination of activation energy
BS ISO 21870-2005 橡膠配合劑.炭黑.熱重分析法測定加熱的高溫?fù)p失 Rubber compounding ingredients ?-Carbon black ?-Determination of high-temperature loss on heating by thermogravimetry
BS ISO 9924-3-2009 橡膠和橡膠產(chǎn)品.利用熱重量分析法測定硫化橡膠和混煉膠料的成分.提取后的烴類橡膠,鹵化橡膠和聚硅氧烷橡膠 Rubber and rubber products ?-Determination of the composition of vulcanizates and uncured compounds by thermogravimetry ?-Hydrocarbon rubbers, halogenated rubbers and polysiloxane rubbers after extraction
DIN EN ISO 11358-1997 塑料.聚合物的熱重測定.一般原理 Plastics ?-Thermogravimetry (TG) of polymers ?-General principles (ISO 11358:1997)； German version EN ISO 11358:1997
IEC 60811-4-1-2004 電纜和光纜絕緣和護(hù)套材料的通用試驗方法.第4-1部分:聚乙烯和聚丙烯化合物專用方法.抗環(huán)境應(yīng)力致裂.熔化流 Insulating and sheathing materials of electric and optical cables ?-Common test methods ?-Part 4-1: Methods specific to polyethylene and polypropylene compounds ?-Resistance to environmental stress cracking ?-Measurement of the melt flow index ?-Carbon black and/or mineral filler content measurement in polyethylene by direct combustion ?-Measurement of carbon black content by thermogravimetric analysis (TGA) ?-Assessment of carbon black dispersion in polyethylene using a microscope
ISO 11358*****塑料.高聚物的熱重分析法(TG).第2部分:活化能測定 Plastics ?-Thermogravimetry (TG) of polymers ?-Part 2: Determination of activation energy
ISO 11358-1997 塑料 高聚物的熱重分析法(TG) 一般原則 Plastics ?-Thermogravimetry (TG) of polymers ?-General principles
ISO 12989-****** 鋁生產(chǎn)用碳素材料.焙燒陽極和部碳塊.空氣反應(yīng)性的測定.第2部分:熱重分析法 Carbonaceous materials used in the production of aluminium ?-Baked anodes and sidewall blocks ?-Determination of the reactivity to air ?-Part 2: Thermogravimetric method
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JIS K7120-1987 塑料熱重量分析法的測試方法 Testing methods of plastics by thermogravimetry
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焦點(diǎn)事件
