热重分析是在程序控制温度下，测量物质的质量与温度或时间的关系的方法。，下面继续为大家介绍热重分析的相关内容。
曲线分析
由 TGA 试验获得的曲线称热失重曲线（TG 曲线），从图中可以得到物质的初始分解温度、最大失重温度、失重率等数据。
失重现象：
（1）分解：化学键的断裂；
（2）挥发：挥发分的挥发（脱水、脱溶剂）；
（3）还原：样品在还原性气氛（如 H2、CO 等）中发生还原反应；
（4）脱附。
增重现象：
（1）氧化：样品与氧化性气氛反应；
（2）吸附。
常见 TG 曲线处理分析可获得的信息：
（1）TG 曲线外推起始点：TG 台阶前水平处作切线与曲线拐点处作切线的相交点，可作为该失/增重过程起始发生的参考温度点，多用于表征材料的热稳定性。
（2）TG 曲线外推终止点：TG 台阶后水平处作切线与曲线拐点处作切线的相交点，可作为该失/增重过程结束的参考温度点。
（3）DTG 曲线峰值：质量变化速率最大的温度/时间点，对应于 TG 曲线上的拐点。
（4）质量变化：分析 TG 曲线上任意两点间的质量差，用来表示一个失重（或增重）步骤所导致的样品的质量变化。
（5）残余质量：测量结束时样品所残余的质量。
应用案例
TG 方法广泛应用于塑料、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。
可以测定材料在不同气氛下的热稳定性与氧化稳定性，可对分解、吸附、解吸附、氧化、还原等物化过程进行分析，包括利用 TG 测试结果进一步作表观反应动力学研究，可对物质进行成分的定量计算。
在实际的材料分析中，TG 法经常与其他分析方法联用，进行综合热分析，全面、准确地分析材料的热性质，是应用最多、最广泛的一种热分析技术。
金属与气体反应的测定
金属和气体的反应是气相-固相反应，可用热重量分析测定反应过程的质量变化与温度的关系，并可作反应量的动力学分析。
矿物鉴定
矿物的热重曲线会因其组成、结构不同而表现出不同的特征。通过与已知矿物特征曲线进行起始温度、峰温及峰面积等的比较便可鉴定矿物。
材料热稳定性的测定
热重量分析可以评价聚烯烃类、聚卤代烯类、含氧类聚合物、芳杂环类聚合物、单体、多聚体和聚合物、弹性体高分子材料的热稳定性。
与一般化学分析方法和其它方法相比，热重量分析对试样进行定量分析有其独特优点，就是样品不需要预处理，分析不用试剂，操作和数据处理简单方便等。唯一要求就是热重曲线相邻的两个质量损失过程必需形成一个明显的平台，并且该平台越明显计算误差越小。
1. 组分分析
使用热重分析仪，通过使用合适的升温速率与测量气氛，以及合理地安排不同气氛之间的切换，基于多阶段失重测量结果，能够对很多材料的内部组分比例进行计算
玻纤增强 PA66失重过程分析
上图为玻纤增强 PA66 的失重过程分析。850℃ 之前使用 N2，850℃ 之后切换为 air。从图中可以看到失重分为如下几个阶段：
（1）300℃ 之前的少量失重：失重量 0.6%。可能为材料中吸附的水分和一些有机挥发分。
（2）300~850℃：主失重台阶，失重量 63.4%。PA66 的分解。
（3）850℃ 切换为 air 以后：失重量 1.5%，对应于热解碳（PA66 分解产物）的烧失。
（4）残余质量：34.5%。应为不分解、不氧化的玻纤成分。
从以上分析，可以计算出样品中的 PA66 比例为 64.9%（63.4+1.5）。玻纤比例为 34.5%。其余水分/挥发分比例为 0.6%。
2. 挥发升华
使用热重分析仪，可以测试液态样品（如润滑油）的挥发过程，并对其热稳定性进行表征。
全氟聚醚润滑油的挥发过程测试
上图为全氟聚醚润滑油的挥发过程测试。温度程序为从室温升温至 130℃ 并保持恒温。图中给出了 10、15、20、25、30min，以及最快失重点 13.9min 下的质量百分比，以及对应的 DTG 失重速率。
3. 氧化分析
下表可以看出不同类型碳纤维的热失重有显著的差别。八种碳纤维及光谱纯石墨粉的抗氧化性能依次为：光谱纯石墨粉 > 吉林石墨纤维 > 催化法碳纤维 > M40 碳纤维 > 太原碳纤维 > 14# 碳纤维长丝 > T-300 碳纤维 > 上海碳纤维 > 粘胶碳布。
碳纤维在空气中的热失重百分比
4. 确定样品的热处理温度
如图所示是一种利用空气刻蚀技术对石墨烯基面造孔，从而引入微/介孔的实验结果。该研究者利用 TG 测试技术（指图中-●-线），但需要说明的是，此处只是利用 6 个不同温度下条件下，保温 10 小时后所剩石墨烯质量进行绘制图形的结果，与一般意义上的程序控温有些不同。根据图中发现在 440℃ 左右开始出现大的质量损失，证明此处是石墨烯被空气刻蚀开始的温度，证明 440℃ 下，既能够保证石墨烯基面能够被刻蚀，又不会出现石墨烯被完全烧掉的情况，保证了最终能够得到具有基面微/介孔的石墨烯材料。
5. 调查燃料的点火温度和燃烧温度
此处为对以竹子为固体燃料的测试。在不同升温速率下，对其进行了热重分析。由图可知，两处不同的质量损失段分别对应于不同的反应。其中，在温度为 200-350℃ 为竹子中综纤维素和木质素的燃烧分解所致，在温度为 350-500℃ 的质量损失则对应于所剩木质素和碳的燃烧。
测试常见问题
Q
氩气气氛的失重曲线在一开始非但没有失重反而还出现了上升，这是什么原因呢?
A
惰性气氛下在最初阶段就出现微增重现象可能是由于在该升温程序下机器基线不稳导致，可以重新测试基线进行验证。
Q
放入坩埚的样品量多少，对结果有影响吗？
A
热重测试时的样品用量对于所得到的实验结果会产生一定的影响。例如，对多组分材料进行测试时，样品量过少会对含量较少的组分准确度产生明显影响，而样品量过多会阻碍气体产物的逸出，导致曲线变形、分辨率变差。
一般来说，TG 测试的样品用量一般为坩埚体积的 1/3~1/2。密度较大的无机样品所对应的试样质量一般为 10~20 mg；对于在实验过程中不发生熔融或者剧烈分解的样品，在保证仪器安全的前提下，可根据需要适当加大试样量。
样品在坩埚中的堆积方式，一般建议堆积紧密，有利于样品内部的热传导，但是对于有大量气体产物生成的反应，可适当疏松堆积。原则上，要使样品与坩埚底部尽量紧密接触。
Q
如图，样品在空气下的 TG 出现负值？
A
出现这一现象的原因可能为坩埚在装样前存在污染物残留，导致在高温空气氛围下发生分解，产生过多的质量损失。一般情况下，测试完的热重坩埚应在 900℃ 以上高温进行空气煅烧，以完全去除残留物。
Q
升温速率是否会影响 TG 曲线精度？
A
一般情况下，温度变化速率对于热分析曲线的基线和曲线都会产生较为显著的影响。较大的温度变化速率意味着较短的时间内会发生更多的反应。对于 TG、DTA、DSC、TG-DTA 和 TG-DSC 实验，由于所用的仪器的加热炉体积较小、实验时的试样量较小，常用的升温速率一般为 10 ℃/min。
Q
如图所示，该样品为什么在 50-100 度有增重呢？
A
样品在测试过程中有氧化（空气气氛）或者氮化则会导致质量增加，测试前需要注意气氛的选择；或者在增重温度附近材料分解放出大量的气相产物，导致样品杆局部压力突然增大也会出现这种现象。
Q
怎么把数据图 1 画成图 2?
图1
图二
A
对于图 1 中的 TG 原始数据，通过计算测试过程中的质量与样品初始质量的比值，即可得到测试过程的 TG 百分比数值，再利用 origin 作图和对温度进行一次微分处理即可得到图 2 的 TG 和 DTG 曲线。对于一些测试噪声较大的数据，在 origin 中作 DTG 图时可以通过平滑处理以得到合适的光滑曲线。
本文源自微信公众号：中科蓝海ZKBO
原文标题：《材料热性能分析方法之一：热重分析法（下）》
原文链接：https://mp.weixin.qq.com/s/aMxexqakCrh6G201sfQBag
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