热重分析仪的作原理

热重分析仪(Thermal Gravimetric Analyzer)是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。

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)。

分析方法

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。

作原理

热重分析仪主要由天平、炉子、程序控温系统、记录系统等几个分构成。

zui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，使线圈转动恢复天平梁的倾斜，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成比例，因此只需测量并记录电的变化，便可得到质量变化的曲线。

影响因素

试样量和试样皿

热重法测定，试样量要少，般2~5mg。方面是因为仪器天平灵敏度很(可达0.1μg)，另方面如果试样量多，传质阻力越大，试样内温度梯度大，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，会使分解反应移向温。

试样皿的材质，要求耐温，对试样、中间产物、zui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。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:碳酸钠会在温时与石英、陶瓷中的SiO2反应生成硅酸钠，所以象碳酸钠类碱性样品，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些中间物。

气氛影响

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。

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。气速度般为40ml/min，速大对传热和溢出气体扩散有利。

挥发物冷凝

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成测得失重结果偏低，而当温度步升，冷凝物再次挥发会产生假失重，使TG曲线变形。解决的办法，般采用加大气体的速，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半，900℃时可降低到约1/4。实用校正方法是做试验，(空载热重实验)，消除表观增重。

TG曲线关键温度表示法

失重曲线上的温度值常用来材料的热稳定性，所以如何确定和选择十分重要，至今华通种程塑料研究中心PE的TG曲线还没有统的规定。但人们为了分析和的需要，也有了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zui大失重线的交点。D点是TG曲线到达zui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，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般很难确定。如果TG曲线下降段切线有时不好画时，美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;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zui简单、方便的方法，是做不同材料的TG曲线并画在张图上。右图测定了五种聚合物的热重曲线，由图可知，PMMA、PE、PTFE都可以分解，但热稳定性依次增加。PVC稳定性较差，*步失重阶段是脱HCl，发生在200~300℃，脱HCl后分子内形成共轭双键，热稳定性提(TG曲线下降缓慢)，直至较温度约420℃时大分子链断裂，形成二次失重。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。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。

分析应用

热重法的重要点是定量性强，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，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域的研究开发、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; 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。