需要知道的關於熱重分析的基本原理

熱重分析(thermogravimetric analysis, TGA)是在程序溫度控製下和不同氣氛中測量試樣的質量與(yu) 溫度或時間(恒溫實驗)關(guan) 係的一種技術。用於(yu) 進行這種測量的儀(yi) 器稱為(wei) 熱重分析儀(yi) ①。圖27-1為(wei) 梅特勒-托利多TGA/SDTA 851^e熱重分析儀(yi) 。

圖27-1梅特勒一托利多TGA/SDTA851^e熱重分析儀(yi)

TGA測量的結果以質量對溫度或時間繪製的TGA曲線表示。TGA信號對溫度或時間的一階導數，表示質量的變化速率，稱為(wei) DTG曲線，是對TGA信號的重要補充性表示。

TGA儀(yi) 測試的強項是定量實驗，是測試物質熱穩定性的首xuan儀(yi) 器。它的應用範圍十分廣泛，可用於(yu) 研究物質晶體(ti) 性質的變化，如熔化、蒸發、升華和吸附等物理現象和物質的脫水、離解、氧化、還原等物質的化學現象。適合測試各種不同種類的試樣，如金屬、陶瓷、橡膠等各種物質，且樣品的形狀也不受限製，粉狀、塊狀、液體(ti) 、纖維均可。但不適用於(yu) 在常溫下揮發性很強的物質的定量實驗，因為(wei) 在稱重過程中無法定量。

基本原理

當試樣以不同方式失去物質或與(yu) 環境氣氛發生反應時，質量出現變化，在TGA曲線上產(chan) 生台階，或在DTG曲線上產(chan) 生峰。被測物質在加熱過程中會(hui) 發生變化，會(hui) 升華、氣化、分解出氣體(ti) 或失去結晶水等。無質量變化時，熱天平保持初始的平衡狀態，若有質量變化，天平則失去平衡，由傳(chuan) 感器檢測並輸出天平失衡信號。熱重分析儀(yi) 常用的測量原理有兩(liang) 種，即變位法和零位法。變位法是根據天平梁傾(qing) 斜度與(yu) 質量變化成比例的關(guan) 係，用差動變壓器等檢知傾(qing) 斜度，並自動記錄，這種方法也可以檢測重量變化的速度，即利用磁鐵在螺線管中移動時，在螺線管中流動的電流與(yu) 其移動的速度成比例這一關(guan) 係。零位法是采用差動變壓器法、光學法測定天平梁的傾(qing) 斜度，然後調整安裝在天平係統和磁場中線圈的電流，使線圈轉動恢複天平梁的傾(qing) 斜。由於(yu) 線圈轉動所施加的力與(yu) 質量變化成比例，這個(ge) 力又與(yu) 線圈中的電流成比例，因此隻須測量並記錄電流的變化，便可得到質量變化的曲線。

熱重法試驗得到的曲線稱為(wei) 熱重曲線(TGA曲線),TGA曲線以質量(或失重率)作縱坐標，從(cong) 上向下表示質量減少；以溫度(或時間)作橫坐標，自左至右表示溫度(或時間)增加。在TGA實驗中，失去的重量提供了樣品組分的定量信息，通過分析TGA曲線，就可以知道被測物質在哪個(ge) 溫度段發生了什麽(me) 變化，有無質量損失、失重率是多少、分幾步分解、分解的溫度範圍、熱穩定性、結晶水的鑒定等信息，並且根據失去的重量，求出百分比，由此也可推斷出失去的是什麽(me) 物質。

圖27-2為(wei) 一水草酸鈣分解的TGA曲線和DTG曲線，試樣質量為(wei) 19.03mg、升溫速率為(wei) 30K/min、氮氣氣氛。三個(ge) 失重台階的溫度範圍在一階導數即DTG曲線上特別清楚。

圖27-2一水草酸鈣分解的TGA曲線(上)和DTG曲線(下)