淺談熱重分析儀技術

2021/08/16

原理及儀器結構
數據分析

原理及儀器結構

熱分析是儀器分析技術中其中一個重要的分支，它對物質的隨著溫度升高或降低的現象，描述其物理特性的變化。熱分析技術從礦物、金屬的分析開始興起，近幾十年來，在高分子科學和藥物分析等方面蓬勃發展。
熱重分析法（Thermogravimetry Analysis，簡稱TG或TGA）為使樣品處於一定的溫度程序控制下（升/降/恆溫），觀察樣品質量隨溫度或時間的變化過程，獲取失重比例、失重溫度、以及分解殘留量等相關資訊。
TGA方法廣泛應用於塑料、橡膠、塗料、藥品、催化劑、無機材料、金屬材料與複合材料等各領域的研究開發、質地優化與品質監控。可以測定材料在不同氣體下的熱穩定性與氧化穩定性，可對分解、吸附、解吸附、氧化、還原等物理變化過程進行分析，包括利用TGA測試結果進一步作反應動力學的研究探討。可對物質進行成分的定量計算，測定水分、揮發成分及各種添加劑與填充劑的含量。

圖1.熱重分析儀結構簡易示意圖

爐體為加熱體，在一定的溫度程序下運作，爐內可通以不同的動態氣體（如N2、Ar、He等保護性氣體，O2、Air等氧化性氣體及其他特殊氣體等），或在真空或靜態氣體下進行測試。在測試程序中樣品支架下部連接高精度的天平，隨時感測到樣品當前的重量變化，並將資料回傳送到電腦，由電腦算出樣品重量對溫度／時間的曲線（TG曲線）。

數據分析

當樣品發生重量變化（其原因包括分解、氧化、還原、吸附與解吸附等）時，會在TG曲線上表現為失重（或增重）梯階，由此可以得知該失/增重過程所發生的溫度區域，並定量計算失/增重比例。若對TG曲線進行一次微分計算，得到熱重微分曲線（DTG曲線），可以進一步得到重量變化速率等更多資訊。

圖2.典型的熱重曲線

紅色曲線：熱重（TG）曲線，顯示樣品在溫度程序過程中重量隨溫度/時間變化的情況，其縱座標為重量百分比，表示樣品在當前溫度/時間下的重量與初始重量的比值。
綠色曲線：熱重微分（DTG）曲線（即dm/dt曲線，TG曲線上各點對時間座標取一次微分作出的曲線），顯示重量變化的速率隨溫度/時間的變化，其峰值點代表各失/增重梯階的重量變化速率最快的溫度/時間點。

對於一個失/增重步驟，較常用的可對以下特徵位置進行分析：TG曲線外推起始點：TG臺階前水平處作切線與曲線反折點處作切線的相交點，可作為該失/增重過程起始發生的參考溫度點，多用於表示材料的熱穩定性。TG曲線外推終止點：TG梯階後水平處作切線與曲線反折點處作切線的相交點，可作為該失/增重過程結束的參考溫度點。DTG曲線峰值：質量變化速率最大的溫度/時間點，對應於TG曲線上的反折點。質量變化：分析TG曲線上任意兩點間的質量差，用來表示一個失重（或增重）步驟所導致的樣品的質量變化。殘餘質量：測量結束時樣品所殘餘的質量。

另外，在軟體中還可對TG曲線的反折點（與DTG峰溫等同）、DTG曲線外推起始點（更接近於真正意義上的反應起始溫度）、DTG曲線外推終止點（更接近於真正意義上的反應結束溫度）等特徵數值來進行標示。

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