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什么是熱重分析儀

作者:時間:2021-03-15 次瀏覽

信息摘要:熱重分析儀(Thermal Gravimetric Analyzer)是一種利用熱重法檢測物質(zhì)溫度-質(zhì)量變化關系的儀器。熱重法是在程序控溫下,測量物質(zhì)的質(zhì)量隨溫度(或時間)的變化關系。當被測物質(zhì)在加熱過程中有升華、汽化、分解出氣體或失去結晶水時,被測的物質(zhì)質(zhì)量就會發(fā)生變化。這時熱重曲線就不是直線而是有所下降。通過分析熱重曲線,就可以知道被測物質(zhì)在多少度時產(chǎn)生變化,并且根據(jù)失重量,可以計算失去了多少物質(zhì),(如CuSO4·5H2O中的結晶水)。

分析方法

從熱重曲線上我們就可以知道CuSO4·5H2O中的5個結晶水是分三步脫去的。通過TGA 實驗有助于研究晶體性質(zhì)的變化,如熔化、蒸發(fā)、升華和吸附等物質(zhì)的物理現(xiàn)象;也有助于研究物質(zhì)的脫水、解離、氧化、還原等物質(zhì)的化學現(xiàn)象。熱重分析通??煞譃閮深悾簞討B(tài)(升溫)和靜態(tài)(恒溫)。熱重法試驗得到的曲線稱為熱重曲線(TG曲線),TG曲線以質(zhì)量作縱坐標,從上向下表示質(zhì)量減少;以溫度(或時間)作橫坐標,自左至右表示溫度(或時間)增加。
工作原理

熱重分析儀主要由天平、爐子、程序控溫系統(tǒng)、記錄系統(tǒng)等幾個部分構成。

最常用的測量的原理有兩種,即變位法和零位法。所謂變位法,是根據(jù)天平梁傾斜度與質(zhì)量變化成比例的關系,用差動變壓器等檢知傾斜度,并自動記錄。零位法是采用差動變壓器法、光學法測定天平梁的傾斜度,然后去調(diào)整安裝在天平系統(tǒng)和磁場中線圈的電流,使線圈轉(zhuǎn)動恢復天平梁的傾斜,即所謂零位法。由于線圈轉(zhuǎn)動所施加的力與質(zhì)量變化成比例,這個力又與線圈中的電流成比例,因此只需測量并記錄電流的變化,便可得到質(zhì)量變化的曲線。

影響因素

試樣量和試樣皿

熱重法測定,試樣量要少,一般25mg。一方面是因為儀器天平靈敏度很高(可達01μg),另一方面如果試樣量多,傳質(zhì)阻力越大,試樣內(nèi)部溫度梯度大,甚至試樣產(chǎn)生熱效應會使試樣溫度偏離線性程序升溫,使TG曲線發(fā)生變化,粒度也是越細越好,盡可能將試樣鋪平,如粒度大,會使分解反應移向高溫。

試樣皿的材質(zhì),要求耐高溫,對試樣、中間產(chǎn)物、最終產(chǎn)物和氣氛都是惰性的,即不能有反應活性和催化活性。通常用的試樣皿有鉑金的、陶瓷、石英、玻璃、鋁等。特別要注意,不同的樣品要采用不同材質(zhì)的試樣皿,否則會損壞試樣皿,如:碳酸鈉會在高溫時與石英、陶瓷中的SiO2反應生成硅酸鈉,所以像碳酸鈉一類堿性樣品,測試時不要用鋁、石英、玻璃、陶瓷試樣皿。鉑金試樣皿,對有加氫或脫氫的有機物有活性,也不適合作含磷、硫和鹵素的聚合物樣品,因此要加以選擇。

升溫速率

升溫速度越快,溫度滯后越嚴重,如聚苯乙烯N2中分解,當分解程度都取失重10%時,用1℃/min測定為357℃,用5℃/min測定為394℃相差37℃。升溫速度快,使曲線的分辨力下降,會丟失某些中間產(chǎn)物的信息,如對含水化合物慢升溫可以檢出分步失水的一些中間物。

氣氛影響

熱天平周圍氣氛的改變對TG曲線影響顯著,CaCO3在真空、空氣和CO2三種氣氛中的TG曲線,其分解溫度相差近600℃,原因在于CO2CaCO3分解產(chǎn)物,氣氛中存在CO2會抑制CaCO3的分解,使分解溫度提高。

聚丙烯在空氣中,150180℃下會有明顯增重,這是聚丙烯氧化的結果,在N2中就沒有增重。氣流速度一般為40ml/min,流速大對傳熱和溢出氣體擴散有利。

揮發(fā)物冷凝

分解產(chǎn)物從樣品中揮發(fā)出來,往往會在低溫處再冷凝,如果冷凝在吊絲式試樣皿上會造成測得失重結果偏低,而當溫度進一步升高,冷凝物再次揮發(fā)會產(chǎn)生假失重,使TG曲線變形。解決的辦法,一般采用加大氣體的流速,使揮發(fā)物立即離開試樣皿。

浮力

浮力變化是由于升溫使樣品周圍的氣體熱膨脹從而相對密度下降,浮力減小,使樣品表觀增重。如:300℃時的浮力可降低到常溫時浮力的一半,900℃時可降低到約1/4。實用校正方法是做空白試驗(空載熱重實驗),消除表觀增重。

TG曲線關鍵溫度表示法

分析應用

熱重法應用

熱重法的重要特點是定量性強,能準確地測量物質(zhì)的質(zhì)量變化及變化的速率,可以說,只要物質(zhì)受熱時發(fā)生重量的變化,就可以用熱重法來研究其變化過程。熱重法所測的性質(zhì)包括腐蝕,高溫分解,吸附 /解吸附,溶劑的損耗,氧化 /還原反應,水合 /脫水,分解,黑煙末等,廣泛應用于塑料、橡膠、涂料、藥品、催化劑、無機材料、金屬材料與復合材料等各領域的研究開發(fā)、工藝優(yōu)化與質(zhì)量監(jiān)控。具體包括:

無機物、有機物及聚合物的熱分解; 金屬在高溫下受各種氣體的腐蝕過程; 固態(tài)反應; 礦物的煅燒和冶煉; 液體的蒸餾和汽化; 煤、石油和木材的熱解過程; 含濕量、揮發(fā)物及灰分含量的測定; 升華過程; 脫水和吸濕; 爆炸材料的研究; 反應動力學的研究; 發(fā)現(xiàn)新化合物; 吸附和解吸; 催化活度的測定; 表面積的測定; 氧化穩(wěn)定性和還原穩(wěn)定性的研究; 反應機制的研究。

分析舉列

使樣品處于程序控制的溫度下,觀察樣品的質(zhì)量隨溫度或時間的函數(shù)。廣泛應用于塑料、橡膠、涂料、藥品、催化劑、無機材料、金屬材料與復合材料等各領域的研究開發(fā)、工藝優(yōu)化與質(zhì)量監(jiān)控。

測量物質(zhì)的重量變化(在受控氣氛內(nèi)受溫度變化)。所有塞塔拉姆天平都滿足更高的度和穩(wěn)定性標準。由熱重分析儀(TGA) 所測的性質(zhì)包括腐蝕,高溫分解,吸附 /解吸附,溶劑的損耗,氧化 /還原反應,水合 /脫水,分解,黑煙末等

儀器特點:

溫度范圍: RT 1000℃

加熱與冷卻速率快。

有效精度:1μg (內(nèi)部精度: 0.1μg)

真空密封結構。

直接測定樣品溫度。

頂部裝樣設計,操作簡易。

易與紅外(FTIR)、氣相質(zhì)譜(QMS)、脈沖熱分析(PulseTA) 及氣相分析(GC)聯(lián)用。

提供 c-DTA(計算型 DTA)功能(選件)

Super-Res(速率控制質(zhì)量變化)功能(選件)

自動進樣系統(tǒng) ASC(選件)

TG 209 C 熱重實驗步驟

稱取適當重量樣品于坩堝中。

打開蓋子 - 裝入樣品坩堝 - 關上蓋子

在軟件中設定溫度程序與氣氛等條件。

初始化工作條件,如氣體流量、抽真空等。

開始測量。

實驗結束后,使用 NETZSCH - Proteus 軟件對原始數(shù)據(jù)進行分析。

熱重分析

熱重分析(Thermogravimetric Analysis,TGTGA)是指在程序控制溫度下測量待測樣品的質(zhì)量與溫度變化關系的一種熱分析技術,用來研究材料的熱穩(wěn)定性和組分。TGA在研發(fā)和質(zhì)量控制方面都是比較常用的檢測手段。熱重分析在實際的材料分析中經(jīng)常與其他分析方法聯(lián)用,進行綜合熱分析,全面準確分析材料。

種類

熱重分析通??煞譃閮深悾簞討B(tài)法和靜態(tài)法。

1、靜態(tài)法:包括等壓質(zhì)量變化測定和等溫質(zhì)量變化測定。等壓質(zhì)量變化測定是指在程序控制溫度下,測量物質(zhì)在恒定揮發(fā)物分壓下平衡質(zhì)量與溫度關系的一種方法。等溫質(zhì)量變化測定是指在恒溫條件下測量物質(zhì)質(zhì)量與壓力關系的一種方法。這種方法準確度高,但是費時。

2、動態(tài)法:就是我們常說的熱重分析和微商熱重分析。微商熱重分析又稱導數(shù)熱重分析(DerivativeThermogravimetry,簡稱DTG),它是TG曲線對溫度(或時間)的一階導數(shù)。以物質(zhì)的質(zhì)量變化速率(dm/dt) 對溫度T(或時間t)作圖,即得DTG曲線。

儀器構造

進行熱重分析的基本儀器為熱天平,它包括天平、爐子、程序控溫系統(tǒng)、記錄系統(tǒng)等幾個部分。除熱天平外,還有彈簧秤。

熱重分析儀結構:

試樣支持器;

爐子;

測溫熱電偶;

傳感器;

平衡錘;

阻尼和天平復位器;

天平;

阻尼信號

應用

熱重分析法可以研究晶體性質(zhì)的變化,如熔化、蒸發(fā)、升華和吸附等物質(zhì)的物理現(xiàn)象;研究物質(zhì)的熱穩(wěn)定性、分解過程、脫水、解離、氧化、還原、成份的定量分析、添加劑與填充劑影響、水份與揮發(fā)物、反應動力學等化學現(xiàn)象。

廣泛應用于塑料、橡膠、涂料、藥品、催化劑、無機材料、金屬材料與復合材料等各領域的研究開發(fā)、工藝優(yōu)化與質(zhì)量監(jiān)控。

熱重法的重要特點是定量性強,能準確地測量物質(zhì)的質(zhì)量變化及變化的速率,可以說,只要物質(zhì)受熱時發(fā)生重量的變化,就可以用熱重法來研究其變化過程。熱重法已在下述諸方面得到應用:

無機物、有機物及聚合物的熱分解;

金屬在高溫下受各種氣體的腐蝕過程;

固態(tài)反應;

礦物的煅燒和冶煉;

液體的蒸餾和汽化;

煤、石油和木材的熱解過程;

含濕量、揮發(fā)物及灰分含量的測定;

升華過程;

脫水和吸濕;

爆炸材料的研究;

反應動力學的研究;

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