1、DMA研究生1材料分析与检测材料分析与检测热失重分析热失重分析(TG)2022-5-312 主要参考书目主要参考书目v热分析，李余增，清华大学出版社热分析，李余增，清华大学出版社v现代仪器分析，杜廷发，国防科技现代仪器分析，杜廷发，国防科技大学出版社大学出版社v热分析及其应用，陈镜泓，科学出热分析及其应用，陈镜泓，科学出版社版社v材料结构表征及应用，吴刚，化学材料结构表征及应用，吴刚，化学工业出版社工业出版社2022-5-313热分析概述热分析概述 定义定义热分析是在热分析是在程序控制温度程序控制温度下，测量物质的下，测量物质的物理物理性质性质与与温度温度关系的一类技术。国际热分析协会关系的一
2、类技术。国际热分析协会ICTA （International Confederation for Thermal Analysis)所谓所谓“程序控制温度程序控制温度”是指用固定的速率加热是指用固定的速率加热或冷却，所谓或冷却，所谓“物理性质物理性质”则包括物质的质量、温则包括物质的质量、温度、热焓、尺寸、机械、电学及磁学性质等。度、热焓、尺寸、机械、电学及磁学性质等。2022-5-314热分析起始于热分析起始于1887午，德国人午，德国人H.Lechatelier用一个热电偶插入受热粘土试样中，测量粘土用一个热电偶插入受热粘土试样中，测量粘土的热变化；所记录的数据并不是试样和参比物的热变化；
3、所记录的数据并不是试样和参比物之间的温度差。之间的温度差。1899年，英国人年，英国人Roberts和和Austen改良了改良了Lechatelier装置，采用两个热电偶反相连接，装置，采用两个热电偶反相连接，采用差热分析的方法研究钢铁等金属材料。直采用差热分析的方法研究钢铁等金属材料。直接记录样品和参比物之间的温差随时间变化规接记录样品和参比物之间的温差随时间变化规律；首次采用示差热电偶记录试样与参比物间律；首次采用示差热电偶记录试样与参比物间产生的温度差这即目前广泛应用的差热分析产生的温度差这即目前广泛应用的差热分析法的原始模型法的原始模型。2022-5-3151915年日本的本多光太郎提
4、出了年日本的本多光太郎提出了“热天平热天平”概概念并设计了世界上第一台热天平（热重分析）念并设计了世界上第一台热天平（热重分析）；测定了；测定了MnSO4.4H2O等无机化合物的热分解等无机化合物的热分解反应。反应。二十年代，差热分析在粘土、矿物和硅酸盐的二十年代，差热分析在粘土、矿物和硅酸盐的研究中使用得比较普遍。从热分析总的发展来研究中使用得比较普遍。从热分析总的发展来看，四十年代以前是比较缓慢的例如热天平看，四十年代以前是比较缓慢的例如热天平直到四十年代后期才用于无机重量分析和广泛直到四十年代后期才用于无机重量分析和广泛应用于煤炭高温裂解反应。应用于煤炭高温裂解反应。20世纪世纪40年代
5、末商业化电子管式差热分析仪问年代末商业化电子管式差热分析仪问世，世，60年代又实现了微量化。年代又实现了微量化。1964年，年，Watson和和ONeill等人提出了等人提出了“差示扫描量热差示扫描量热”的概念，进而发展成为差示扫描量热技术，的概念，进而发展成为差示扫描量热技术，使得热分析技术不断发展和壮大。使得热分析技术不断发展和壮大。2022-5-316分分 类类热分析方法的种类是多种多样的，根据热分析方法的种类是多种多样的，根据ICTA的归纳和分类，目前的热分析方法共分为的归纳和分类，目前的热分析方法共分为9类类17种。种。2022-5-317ICTA对热分析技术的分类物理物理性质性质分
6、析技术名称分析技术名称简称简称物理性质物理性质分析技术名称分析技术名称简称简称1.质量质量1）热重法）热重法TG3.热焓热焓9)差示扫描量热法差示扫描量热法DSC2）等压质量变化）等压质量变化测定测定4.尺寸尺寸10)热膨胀法热膨胀法3)逸出气体检测逸出气体检测EGD 5.力学特性力学特性11)热机械分析热机械分析TMA4)逸出气体分析逸出气体分析EGA12)动态热机械分析动态热机械分析DMA5)放射热分析放射热分析6.声学特性声学特性13)热发声法热发声法6)热微粒分析热微粒分析14)热声学法热声学法2.温度温度7)加热曲线测定加热曲线测定7.光学特性光学特性15)热光学法热光学法8)差热分
7、析差热分析DTA8.电学特性电学特性16)热电学法热电学法9.磁学特性磁学特性17)热磁学法热磁学法2022-5-318应应 用用在上述热分析技术中，热重法、差热分析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。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、吸附等）和化学变化（脱水、分解、氧化和还原等）。化和还原等）。范围范围：无机物（金属、矿物、陶瓷材料等：无机物（金属、矿物、陶瓷材料等）有机物、高聚物、药物、络合物、液有机物、高聚物、药物、络合物、液晶和生物高分子等。晶
8、和生物高分子等。应用领域应用领域：化学化工、冶金、地质、物理：化学化工、冶金、地质、物理、陶瓷、建材、生物化学、药物、地球化、陶瓷、建材、生物化学、药物、地球化学、航天、石油、煤炭、环保、考古、食学、航天、石油、煤炭、环保、考古、食品等。品等。 2022-5-319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。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。2022-5-3110热重法热重法 （Thermogravimetry TG )定义：
9、在程序控制温度下，测量物质定义：在程序控制温度下，测量物质质量质量与与温度温度关系的一种技术。关系的一种技术。 m = f(T)是使用最多、最广泛的热分析技术。是使用最多、最广泛的热分析技术。类型：类型： 两种两种 1.等温（或静态）热重法：恒温等温（或静态）热重法：恒温 2.非等温（或动态）热重法：程序升温非等温（或动态）热重法：程序升温2022-5-3111由由TG实验获得的曲线。记录质量变化对温度实验获得的曲线。记录质量变化对温度的关系曲线。的关系曲线。纵坐标是质量（从上向下表示质量减少）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。横坐标为温度或时间。热重曲线（热重曲线（
10、TG曲线）曲线）2022-5-3112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 （从 热 重 法 可 派 生 出 微 商 热 重 （Derivative Thermogravimetry）,它是它是TG曲线对温度（或时间）的一曲线对温度（或时间）的一阶导数。阶导数。纵坐标为纵坐标为dW/dt 横坐标为温度或时间横坐标为温度或时间2022-5-3113DTG曲线曲线2022-5-3114TG特点特点定量性强，能准确地测量物质的质量变化及定量性强，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变化的速率，不管引起这种变化的是化
11、学的还是物理的。还是物理的。2022-5-3115基本原理基本原理TG与与DTG的测量都要依靠热天平，主要介绍热天的测量都要依靠热天平，主要介绍热天平及热重测量的原理。平及热重测量的原理。 热天平是实现热重测量技术而制作的仪器，它是在热天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：（求的精密仪器：（1）程序控温系统及加热炉，炉）程序控温系统及加热炉，炉子的热辐射和磁场对热重测量的影响尽可能小；（子的热辐射和磁场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
12、测量及记录系统；（3）能）能满足在各种气氛和真空中进行测量的要求；（满足在各种气氛和真空中进行测量的要求；（4）能与其它热分析方法联用。能与其它热分析方法联用。2022-5-3116根据试样与天平横梁支撑点之间的相对根据试样与天平横梁支撑点之间的相对位置，热天平可分为下皿式，上皿式与位置，热天平可分为下皿式，上皿式与水平式三种。水平式三种。热天平种类热天平种类2022-5-3117热天平测量原理热天平测量原理 2022-5-3118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产生重量当天平左边称盘中试样因受热产生重量变化时，天平横梁连同光栏则向上或向变化时，天平横梁连同光栏则向上或向
13、下摆动，此时接收元件（光敏三极管）下摆动，此时接收元件（光敏三极管）接收到的光源照射强度发生变化，使其接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。这种变化的电输出的电信号发生变化。这种变化的电信号送给测重单元，经放大后再送给磁信号送给测重单元，经放大后再送给磁铁外线圈，使磁铁产生与重量变化相反铁外线圈，使磁铁产生与重量变化相反的作用力，天平达到平衡状态。因此，的作用力，天平达到平衡状态。因此，只要测量通过线圈电流的大小变化，就只要测量通过线圈电流的大小变化，就能知道试样重量的变化。能知道试样重量的变化。2022-5-3119设 试 样 质 量 为设 试 样 质 量 为 m ， 则
14、其 所 受 重 力 为， 则 其 所 受 重 力 为F1=mg，而线圈中电流，而线圈中电流I在磁场作用下对在磁场作用下对磁铁的作用力为：磁铁的作用力为：F2= nBI (n为线圈匝为线圈匝数，数，B为磁场强度为磁场强度)，天平平衡时，天平平衡时，若将此电流输送给记录仪记录下来，可若将此电流输送给记录仪记录下来，可获得试样质量随温度的变化曲线，即获得试样质量随温度的变化曲线，即TG曲线。曲线。kmImnBgI或2022-5-3120热重与微商热重曲线热重与微商热重曲线TG曲线：理想的曲线：理想的TG曲线是一些直角台阶曲线是一些直角台阶，台阶大小表示重量变化量，一个台阶表，台阶大小表示重量变化量，
15、一个台阶表示一个热失重，两个台阶之间的水平区域示一个热失重，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试样的热失重是在某一个温度下同时发生和完成，显然实际过程是不存在的，试样和完成，显然实际过程是不存在的，试样的热分解反应不可能在某一温度下同时发的热分解反应不可能在某一温度下同时发生和完成，而是有一个过程。在曲线上表生和完成，而是有一个过程。在曲线上表现为曲线的过渡和斜坡，甚至两次失重之现为曲线的过渡和斜坡，甚至两次失重之间有重叠区。间有重叠区。2022-5-31212022-5-3122AB段：热重基线段
16、：热重基线B点：点：Ti 起始温度起始温度C点：点：Tf 终止温度终止温度D点：点：Te外推起始外推起始温度，外推基线与温度，外推基线与TG线最大斜率切线线最大斜率切线交点。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。2022-5-31232022-5-31242022-5-3125DTG曲线的优点能准确反映出起始反应温度能准确反映出起始反应温度Ti，最大反应速率，最大反应速率温度温度Te和和Tf 。更能清楚地区分相继发生的热重变化反应，更能清楚地区分相继发生的热重变化反应，DTG比比TG分辨率更高。分辨率更高。DTG曲线峰的面积
17、精确对应着变化了的样品重曲线峰的面积精确对应着变化了的样品重量，较量，较TG能更精确地进行定量分析。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（能方便地为反应动力学计算提供反应速率（dw/dt）数据。）数据。DTG与与DTA具有可比性，通过比较，能判断出具有可比性，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。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。对此无能为力。2022-5-3126例：含有一个结晶水的草酸钙的例：含有一个结晶水的草酸钙的TG曲线和曲线和DTG曲线曲线 2022-5-3127CaC2O4H2OCaC2O4+H2O （100-20
18、0，失重量12.5% ）CaC2O4CaCO3+CO （400-500，失重量18.5%）CaCO3CaO+CO2 （600-800，失重量30.5% ）2022-5-3128 为了获得精确的实验结果，分析各为了获得精确的实验结果，分析各种因素对种因素对TG曲线的影响是很重要的。影曲线的影响是很重要的。影响响TG曲线的重要因素包括：曲线的重要因素包括：一、仪器因素一、仪器因素二、试样因素二、试样因素影响热重法测定结果的影响热重法测定结果的因素因素2022-5-3129仪器因素仪器因素 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
19、天平灵敏度热天平灵敏度 2022-5-3130(1) 升温速率升温速率对热重法影响比较大。对热重法影响比较大。升温速率越大，所产生的热滞后现象越严重，升温速率越大，所产生的热滞后现象越严重，往往导致热重曲线上的起始温度往往导致热重曲线上的起始温度Ti和终止温度和终止温度Tf偏高。虽然分解温度随升温速率变化而变化偏高。虽然分解温度随升温速率变化而变化，但失重量保持恒定。，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，因为率快不利于中间产物的检出，因为TG曲线上曲线上拐点变得不明显，而慢的升温速率可得到明确拐点变得不明显
20、，而慢的升温速率可得到明确的实验结果。的实验结果。热重测量中的升温速率不宜太快，一般以热重测量中的升温速率不宜太快，一般以0.5-6/min为宜。为宜。2022-5-31312022-5-31322022-5-3133(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。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
21、围的气降。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体浓度不断变化。这些因素会严重影响实验结果，所以果，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。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性好的实验结果，一般在严格控制的条件下采用动态气氛。用动态气氛。试样周围气氛对热分解过程有较大的影响，气试样周围气氛对热分解过程有较大的影响，气氛对氛对TG曲线的影响与反应类型、分解产物的曲线的影响与反应类型、分解产物的性质和气氛的种类有关。性质和气氛的种类有关。2022-5-3134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
22、类型: : 在测定过程中，通入惰性气体，对在测定过程中，通入惰性气体，对1、2是有利的，而对是有利的，而对3不利；如果所通不利；如果所通气体与反应产生的气体相同，对气体与反应产生的气体相同，对1有影有影响，而对响，而对2无影响。无影响。 )3()()()()()2()()()()1()()()(gDsCgBsAgCsBsAgCsBsA2022-5-31352022-5-31362022-5-31372022-5-3138试样因素试样因素u试样对热重分析的影响很复杂试样对热重分析的影响很复杂u试样用量、粒度试样用量、粒度2022-5-3139(1) 试样量试样量试样用量的影响大致有下列三个方面：
23、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。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，扩散散速率受试样量的影响，试样量越大，扩散阻力越大。阻力越大。p试样量越大，本身的温度梯度越大。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。在热重分析仪灵敏度范围尽量小。2022-5-31402022-5-31
24、41用量少用量少, ,所测所测结果较好结果较好, ,反反映 热 分 解 反映 热 分 解 反应 中 间 过 程应 中 间 过 程的 平 台 很 明的 平 台 很 明显。显。为 提 高 检 测为 提 高 检 测中 间 产 物 的中 间 产 物 的灵 敏 度 应 采灵 敏 度 应 采用 少 量 试 样用 少 量 试 样。2022-5-3142（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导致反应速率和TG曲线形状的改变。曲线形状的
25、改变。粒度越小，反应速率越快，使粒度越小，反应速率越快，使TG曲线上的曲线上的Ti和和Tf温温度降低，反应区间变窄。度降低，反应区间变窄。试样粒度大往往得不到较好的试样粒度大往往得不到较好的TG曲线。粒度减小不曲线。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仅使热分解温度下降，而且也使分解反应进行的很完全。完全。2022-5-31432022-5-3144（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
26、气氛流过炉子以减少吸附。2022-5-3145热重曲线的分析和计算方法热重曲线的分析和计算方法2022-5-3146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反应动力学研究反应动力学
27、研究2022-5-3147应用举例应用举例主要用于物质的成分分析，研究沉淀的干主要用于物质的成分分析，研究沉淀的干燥、灼烧温度、沉淀剂的选择，试样在空燥、灼烧温度、沉淀剂的选择，试样在空气中是否吸收气中是否吸收CO2和水分等。和水分等。 TG应用应用v对结晶硫酸铜的分析对结晶硫酸铜的分析vCuSO45H2O= CuSO43 H2O+2 H2OvCuSO43 H2O= CuSO4H2O+2 H2OvCuSO4H2O= CuSO4+ H2O2022-5-3149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 肼分解催化剂是以肼分解催化剂是以Al2O3为载体，为载体，浸渍后的组成为浸渍后的组成
28、为H2IrCl6/Al2O3。为将负。为将负载载H2IrCl6分解为分解为IrCl3，要求在氮气下进，要求在氮气下进行焙烧。图行焙烧。图1为为H2IrCl6/Al2O3于氮气下的于氮气下的焙烧焙烧TG-DTG曲线。曲线。2022-5-3150DTG出现两个峰，出现两个峰，TG曲线上皆有对应的失重。第一个峰出曲线上皆有对应的失重。第一个峰出现在现在150之前，为脱表面吸附水峰；第二个峰出现在之前，为脱表面吸附水峰；第二个峰出现在240400温区，为负载温区，为负载H2IrCl6的分解峰。的分解峰。 H2IrCl6/Al2O3IrCl3/Al2O3+2HCl+1/2Cl2 显然，对肼分解催化剂，其
29、焙烧温度系指负载盐分解终了显然，对肼分解催化剂，其焙烧温度系指负载盐分解终了的温度。故由其焙烧的的温度。故由其焙烧的TG-DTG曲线，可以直接确定肼分解曲线，可以直接确定肼分解催化剂的焙烧温度为催化剂的焙烧温度为400。 2022-5-3151材料成分测定材料成分测定 热重法测定材料成分是极为方便的，通过热热重法测定材料成分是极为方便的，通过热重曲线可以把材料尤其是高聚物的含量、含重曲线可以把材料尤其是高聚物的含量、含碳量和灰分测定出来。碳量和灰分测定出来。利用共混物中各组分的分解温度的差异，热利用共混物中各组分的分解温度的差异，热重法也可用于共混物的测定。重法也可用于共混物的测定。2022-
30、5-3152聚四氟乙烯与缩醛共聚物含量测定聚四氟乙烯与缩醛共聚物含量测定 2022-5-3153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，从而使产品性能和外观受到产生小的气泡，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。所含有的挥发性物质的总含量。 2022-5-3154玻璃纤维增强尼龙中含水量的测量玻璃纤维增强尼龙中含水量的测量 2022-5-3155PVCPVC中增塑剂中增塑剂DOPDOP的测定的测定 2022-5-3156利用热重法测定发泡剂含量利用热重法测定发泡剂含量
