熱重量分析

熱重量分析簡稱熱重分析，是在程序控制溫度下，測量物質的質量與溫度或時間的關係的方法。進行熱重量分析的儀器，稱為熱重儀，主要由三部分組成：溫度控制系統，檢測系統和記錄系統。熱重量分析的應用主要在金屬合金，地質，高分子材料研究，藥物研究等方面。

中文名:熱重量分析

外文名；Thermogravimetric Analysis

簡稱:熱重分析

所屬分類；熱分析技術

基本概念

熱重量分析，是在程序控制溫度下，測量物質的質量與溫度或時間的關係的方法。通過分析熱重曲線，我們可以知道樣品及其可能產生的中間產物的組成、熱穩定性、熱分解情況及生成的產物等與質量相聯繫的信息。

從熱重量分析可以派生出微商熱重量分析，也稱導數熱重量分析，它是記錄TG曲線對溫度或時間的一階導數的一種技術。實驗得到的結果是微商熱重曲線，即DTG曲線，以質量變化率為縱坐標，自上而下表示減少；橫坐標為溫度或時間，從左往右表示增加。

熱重量分析的主要特點，是定量性強，能準確地測量物質的質量變化及變化的速率。根據這一特點，可以說，只要物質受熱時發生質量的變化，都可以用熱重量分析來研究。可用熱重量分析來檢測的物理變化和化學變化過程。我們可以看出，這些物理變化和化學變化都是存在着質量變化的，如升華、汽化、吸附、解吸、吸收和氣固反應等 ^[1] 。

影響因素

熱重量分析測定的結果與實驗條件有關，為了得到準確性和重複性好的熱重曲線，我們有必要對各種影響因素進行仔細分析。影響熱重測試結果的因素，基本上可以分為三類：儀器因素、實驗條件因素和樣品因素。

儀器因素包括氣體浮力和對流、坩堝、揮發物冷凝、天平靈敏度、樣品支架和熱電偶等。對於給定的熱重儀器，天平靈敏度、樣品支架和熱電偶的影響是固定不變的，我們可以通過質量校正和溫度校正來減少或消除這些系統誤差；^[2] 。

氣體浮力和對流的影響

氣體浮力的影響：氣體的密度與溫度有關，隨溫度升高，樣品周圍的氣體密度發生變化，從而氣體的浮力也發生變化。所以，儘管樣品本身沒有質量變化，但由於溫度的改變造成氣體浮力的變化，使得樣品呈現隨溫度升高而質量增加，這種現象稱為表觀增重。表觀增重量可用公式進行計算。

對流的影響：它的產生，是常溫下試樣周圍的氣體受熱變輕形成向上的熱氣流，作用在熱天平上，引起試樣的表觀質量損失。

措施：為了減少氣體浮力和對流的影響，試樣可以選擇在真空條件下進行測定，或選用臥式結構的熱重儀進行測定。

坩堝的影響

大小和形狀：坩堝的大小與試樣量有關，直接影響試樣的熱傳導和熱擴散；坩堝的形狀則影響試樣的揮發速率。因此，通常選用輕巧、淺底的坩堝，可使試樣在堝底攤成均勻的薄層，有利於熱傳導、熱擴散和揮發。

坩堝的材質：通常應該選擇對試樣、中間產物、最終產物和氣氛沒有反應活性和催化活性的惰性材料，如Pt、Al2O3等。

熱重量分析原圖鏈接圖片來源優酷網

揮發物冷凝的影響

樣品受熱分解、升華、逸出的揮發性物質，往往會在儀器的低溫部分冷凝。這不僅污染儀器，而且使測定結果出現偏差。若揮發物冷凝在樣品支架上，則影響更嚴重，隨溫度升高，冷凝物可能再次揮發產生假失重，使TG曲線變形。

為減少揮發物冷凝的影響，可在坩堝周圍安裝耐熱屏蔽套管；採用水平結構的天平；在天平靈敏度範圍內，儘量減少樣品用量；選擇合適的淨化氣體流量。實驗前，對樣品的分解情況有初步估計，防止對儀器的污染。

升溫速率的影響

升溫速率對熱重曲線影響的較大，升溫速率越高，產生的影響就越大。因為樣品受熱升溫是通過介質-坩堝-樣品進行熱傳遞的，在爐子和樣品坩堝之間可形成溫差。升溫速率不同，爐子和樣品坩堝間的溫差就不同，導致測量誤差。一般在升溫速率為5和10℃/min時產生的影響較小。

升溫速率對樣品的分解溫度有影響。升溫速率快，造成熱滯後大，分解起始溫度和終止溫度都相應升高。

升溫速率不同，可導致熱重曲線的形狀改變。升溫速率快，往往不利於中間產物的檢出，使熱重曲線的拐點不明顯。升溫速率慢，可以顯示熱重曲線的全過程。一般來說，升溫速率為5和10℃/min時，對熱重曲線的影響不太明顯。

升溫速率可影響熱重曲線的形狀和試樣的分解溫度，但不影響失重量。

慢速升溫可以研究樣品的分解過程，但我們不能武斷地認為快速升溫總是有害的。要看具體的實驗條件和目的。當樣品量很小時，快速升溫能檢查出分解過程中形成的中間產物，而慢速升溫則不能達到此目的。

氣氛的影響

氣氛對熱重實驗結果也有影響，它可以影響反應性質、方向、速率和反應溫度，也能影響熱重稱量的結果。氣體流速越大，表觀增重越大。所以送樣品做熱重量分析時，需註明氣氛條件。

熱重實驗可在動態或靜態氣氛條件下進行。所謂靜態是指氣體穩定不流動，動態就是氣體以穩定流速流動。在靜態氣氛中，產物的分壓對TG曲線有明顯的影響，使反應向高溫移動；而在動態氣氛中，產物的分壓影響較小。因此，我們測試中都使用動態氣氛，氣體流量為20mL/min。

氣氛有如下幾類：惰性氣氛，氧化性氣氛，還原性氣氛，還有其它如CO2、Cl2、F2等。

樣品量的影響

樣品量多少對熱傳導、熱擴散、揮發物逸出都有影響。樣品量用多時，熱效應和溫度梯度都大，對熱傳導和氣體逸出不利，導致溫度偏差。樣品量越大，這種偏差越大。樣品用量應在熱天平靈敏度允許的範圍內，儘量減少，以得到良好的檢測效果。而在實際熱重量分析中，樣品量只需要約5mg。樣品粒度、形狀的影響

樣品粒度及形狀同樣對熱傳導和氣體的擴散有影響。粒度不同，會引起氣體產物擴散的變化，導致反應速度和熱重曲線形狀的改變。粒度越小，反應速度越快，熱重曲線上的起始分解溫度和終止分解溫度降低，反應區間變窄，而且分解反應進行得完全。所以，粒度影響在熱重量分析中是個不可忽略的因素。