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热重分析仪

文章出处:菠菜评级 人气:发表时间:2020-07-12 21:56

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  热重分析仪(Thermal Gravimetric Analyzer)是一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)。

  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。

  最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流,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流成比例,因此只需测量并记录电流的变化,便可得到质量变化的曲线]

  热重法测定,试样量要少,一般2~5mg。一方面是因为仪器天平灵敏度很高(可达0.1μg),另一方面如果试样量多,传质阻力越大,试样内部温度梯度大,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,会使分解反应移向高温。

  试样皿的材质,要求耐高温,对试样、中间产物、最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。特别要注意,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:碳酸钠会在高温时与石英、陶瓷中的SiO2反应生成硅酸钠,所以像碳酸钠一类碱性样品,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一些中间物。

  热天平周围气氛的改变对TG曲线在线三种气氛中的TG曲线分解产物,气氛中存在CO2会抑制CaCO3的分解,使分解温度提高。

  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。气流速度一般为40ml/min,流速大对传热和溢出气体扩散有利。

  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造成测得失重结果偏低,而当温度进一步升高,冷凝物再次挥发会产生假失重,使TG曲线变形。解决的办法,一般采用加大气体的流速,使挥发物立即离开试样皿。

  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一半,900℃时可降低到约1/4。实用校正方法是做空白试验,(空载热重实验),消除表观增重。

  失重曲线上的温度值常用来比较材料的热稳定性,所以如何确定和选择十分重要,至今

  还没有统一的规定。但人们为了分析和比较的需要,也有了一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,是这条切线与最大失重线的交点。D点是TG曲线到达最大失重时的温度,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点温度重复性最好,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一般很难确定。如果TG曲线下降段切线有时不好画时,美国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;国际标准局(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。

  评价聚合物热稳定性最简单、方便的方法,是做不同材料的TG曲线并画在一张图上比较。右图测定了五种聚合物的热重曲线,由图可知,PMMA、PE、PTFE都可以完全分解,但热稳定性依次增加。PVC稳定性较差,第一步失重阶段是脱HCl,发生在200~300℃,脱HCl后分子内形成共轭双键,热稳定性提高(TG曲线下降缓慢),直至较高温度约420℃时大分子链断裂,形成第二次失重。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,故热稳定性大大提高。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。

  热重法的重要特点是定量性强,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,高温分解,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,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领域的研究开发、工艺优化与质量监控。具体包括:

  无机物、有机物及聚合物的热分解; 金属在高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; 爆炸材料的研究; 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。

  使样品处于程序控制的温度下,观察样品的质量随温度或时间的函数。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领域的研究开发、工艺优化与质量监控。

  测量物质的重量变化(在受控气氛内受温度变化)。所有塞塔拉姆天平都满足最高的精确度和稳定性标准。由热重分析仪(TGA) 所测的性质包括腐蚀,高温分解,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

  易与红外(FTIR)、气相质谱(QMS)、脉冲热分析(PulseTA) 及气相分析(GC)联用。

  实验结束后,使用 NETZSCH - Proteus 软件对原始数据进行分析。

  热重分析(Thermogravimetric Analysis,TG或TGA)是指在程序控制温度下测量待测样品的质量与温度变化关系的一种热分析技术,用来研究材料的热稳定性和组分。TGA在研发和质量控制方面都是比较常用的检测手段。热重分析在实际的材料分析中经常与其他分析方法联用,进行综合热分析,全面准确分析材料。

  1、静态法:包括等压质量变化测定和等温质量变化测定。等压质量变化测定是指在程序控制温度下,测量物质在恒定挥发物分压下平衡质量与温度关系的一种方法。等温质量变化测定是指在恒温条件下测量物质质量与压力关系的一种方法。这种方法准确度高,但是费时。

  2、动态法:就是我们常说的热重分析和微商热重分析。微商热重分析又称导数热重分析(DerivativeThermogravimetry,简称DTG),它是TG曲线对温度(或时间)的一阶导数。以物质的质量变化速率(dm/dt) 对温度T(或时间t)作图,即得DTG曲线。

  进行热重分析的基本仪器为热天平,它包括天平、炉子、程序控温系统、记录系统等几个部分。除热天平外,还有弹簧秤。

  热重分析法可以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;研究物质的热稳定性、分解过程、脱水、解离、氧化、还原、成份的定量分析、添加剂与填充剂影响、水份与挥发物、反应动力学等化学现象。

  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领域的研究开发、工艺优化与质量监控。

  热重法的重要特点是定量性强,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。热重法已在下述诸方面得到应用:

  徐朝芬, 孙学信, 郭欣. 热重分析试验中影响热重曲线的主要因素分析[J]. 热力发电, 2005, 34(6):34-36.

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