科研干货——热重分析法

仪器的基本构成

热天平

热天平的主要工作原理是把电路和天平结合起来。通过程序控温仪使加热电炉按一定的升温速率升温(或恒温)，当被测试样发生质量变化，光电传感器能将质量变化转化为直流电信号。此信号经测重电子放大器放大并反馈至天平动圈，产生反向电磁力矩，驱使天平梁复位。反馈形成的电位差与质量变化成正比(即可转变为样品的质量变化)。其变化信息通过记录仪描绘出热重分析(TGA)曲线，热重分析曲线纵坐标表示质量损失(或失重率)，横坐标表示温度(或时间)。

加热炉

炉体包括炉管、炉盖、炉体加热器和隔离护套。炉体加热器位于炉管表面的凹槽中。炉管的内径根据炉子的类型而有所不同。

程序控温系统

炉子温度增加的速率受温度程序的控制，其程序控制器能够在不同的温度范围内进行线性温度控制，如果升温速率是非线性的将会影响到TGA曲线。程序控制器的另一特点是，对于线性输送电压和周围温度变化必须是稳定的，并能够与不同类型的热电偶相匹配。

当输入测试条件之后，温度控制系统会按照所设置的条件程序升温，准确执行发出的指令。所有这些控温程序均由热电偶传感器(简称热电偶)执行，分为样品温度热电偶和炉子温度热电偶。

气氛控制系统

梅特勒一托利多的气氛控制系统分两路，一路是反应气体，经由反应性气体毛细管导入到样品池附近，并随样品一起进入炉腔，使样品的整个测试过程一直处于某种气氛的保护中；另一路是对天平的保护气体，通入并对天平室内进行吹扫，防止样品在加热过程中发生化学反应时放出的腐蚀性气体进入天平室，这样既可以使天平得到很高的精度，也可以延长热天平的使用寿命。

仪器的分析方法

直观分析法

通过观察热重曲线的走势，可以初步了解样品的质量变化情况。

（1）曲线下降区域：表示样品在加热过程中发生质量损失，可能是由于挥发、升华、分解等物理或化学过程引起的。

（2）曲线平台区域：表示样品在加热过程中质量基本保持不变，可能是因为样品已经达到热稳定状态或发生了化学吸附等过程。

（3）曲线上升区域：表示样品在加热过程中质量增加，可能是由于氧化、还原等化学反应导致的。

峰值分析法

通过对热重曲线的峰值进行定量和定性分析，可以更深入地了解样品的热分解行为和热稳定性。

（1）峰面积：峰面积与样品的质量变化成正比，可以用来计算样品在某一温度范围内的质量损失。

（2）峰位置：峰位置可以用来确定样品的热分解起始温度、最大失重速率温度以及反应终了温度等。

（3）峰形状：峰形状可以反映样品的热分解机制和反应动力学，如峰形尖锐表示反应速率快，峰形宽缓表示反应速率慢。

微分热重分析法（DTG）

对热重曲线进行一阶导数处理，得到微分热重曲线（DTG）。DTG曲线的峰值位置和大小可以更准确地反映样品的热分解行为和热稳定性。

（1）峰位置：DTG曲线的峰位置与热重曲线的峰位置相对应，可以用来确定样品的热分解起始温度、最大失重速率温度以及反应终了温度等。

（2）峰面积：DTG曲线的峰面积与样品的质量变化成正比，可以用来计算样品在某一温度范围内的质量损失。

（3）峰形状：DTG曲线的峰形状可以反映样品的热分解机制和反应动力学，如峰形尖锐表示反应速率快，峰形宽缓表示反应速率慢。

外推法

当样品在加热过程中发生质量损失时，可以通过外推法确定质量损失的温度范围。

（1）切线法：在热重曲线的下降区域，作一条与曲线切线平行的直线，该直线与曲线的交点即为质量损失的温度范围。

（2）多项式法：在热重曲线的下降区域，用多项式拟合曲线，求导得到极值点，该点对应的温度即为质量损失的温度范围。

（3）指数衰减法：在热重曲线的下降区域，假设质量损失遵循指数衰减规律，通过拟合曲线求解指数衰减方程，得到质量损失的温度范围。

模型法

通过建立热重分析（TGA）的物理或化学模型，对热重曲线进行模拟和解析。

（1）热传导模型：假设样品在加热过程中热量传递速率恒定，通过求解热传导方程，得到样品的质量变化规律。

（2）化学反应动力学模型：假设样品在加热过程中发生化学反应，通过建立化学反应动力学方程，求解得到样品的质量变化规律。

（3）质量守恒模型：假设样品在加热过程中质量守恒，通过建立质量守恒方程，求解得到样品的质量变化规律。