热重分析
热重分析法
热重分析法热重分析法（Thermogravimetric Analysis，简称TGA）是一种热分析技术，通过对样品在升温过程中的质量变化进行监测和分析，以了解样品的热稳定性、分解特性等信息。
本文将介绍热重分析法的原理、仪器设备、应用领域以及未来的发展趋势。
热重分析法是在恒定加热速率下，通过记录样品重量随温度或时间的变化，来研究样品的热衰减、热失重等热性能。
这种分析方法可以对各种材料进行测试，如聚合物、陶瓷、金属等。
它可以用于研究材料的热稳定性、热分解过程、腐蚀、氧化等热化学性质，并可以对化学反应、降解行为等进行动态监测。
热重分析法的仪器设备主要由称量装置、升温装置、传感器、数据采集和处理系统等组成。
在测试过程中，样品一般以小颗粒、薄片或粉末的形式存在，称量时要求准确并保持恒定性。
样品装入称量器后，通过升温装置以控制加热速率，并通过传感器可以实时监测样品重量的变化。
数据采集和处理系统可以将监测到的重量变化转化为曲线图或数字数据，进一步进行分析和解释。
热重分析法在许多领域有广泛的应用。
在研究材料的热稳定性方面，可以用于评估聚合物材料的耐高温性能，为材料选择、设计和改性提供依据。
在研究催化剂的活性和稳定性时，可以通过热重分析法来研究其在高温下的热失重和活性损失情况。
此外，热重分析法还可以用于纺织品的研究、煤炭和石油产品的分析、药物的稳定性研究等。
在未来，热重分析法有望得到进一步发展和广泛应用。
随着材料科学和工程技术的不断进步，对材料热性能的研究需求日益增加。
新的测试方法和装置将不断涌现，以满足更多领域对材料热性能测量的需求。
同时，热重分析法也将与其他热分析技术结合，如差热分析（Differential Scanning Calorimetry，简称DSC）、热导率测试等，以获取更准确、全面的热性能数据。
总之，热重分析法作为一种重要的热分析技术，具有广泛的应用前景和重要的科学意义。
通过研究样品在升温过程中的质量变化，可以了解材料的热稳定性、热分解特性等重要信息。
实验二十一__热重分析法
实验二十一热重分析法一、实验目的1．掌握热重分析的原理。
2．用热天平测CuSO4·5H2O样品的热重曲线，学会使用WRT-3P高温微量热天平。
二、实验原理热重分析法(Thermogravimetric Analysis，简称TG)是在程序控制温度下，测量物质质量与温度关系的一种技术。
许多物质在加热过程中常伴随质量的变化，这种变化过程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。
1．TG和DTG的基本原理与仪器进行热重分析的基本仪器为热天平。
热天平一般包括天平、炉子、程序控温系统、记录系统等部分。
有的热天平还配有通入气氛或真空装置。
典型的热天平示意图见图l。
除热天平外，还有弹簧秤。
国内已有TG和DTG(微商热重法)联用的示差天平。
热重分析法通常可分为两大类：静态法和动态法。
静态法是等压质量变化的测定，是指一物质的挥发性产物在恒定分压下，物质平衡与温度T的函数关系。
以失重为纵坐标，温度Ｔ为横坐标作等压质量变化曲线图。
等温质量变化的测定是指一物质在恒温下，物质质量变化与时间t的依赖关系，以质量变化为纵坐标，以时间为横坐标，获得等温质量变化曲线图。
动态法是在程序升温的情况下，测量物质质量的变化对时间的函数关系。
1一机械减码；2一吊挂系统；3一密封管；4一出气口5一加热丝；6一试样盘；7一热电偶8一光学读数；9一进气口；10一试样；1l一管状电阻炉；12一温度读数表头；13一温控加热单元图l 热天平原理图控制温度下，试样受热后重量减轻，天平(或弹簧秤)向上移动，使变压器内磁场移动输电功能改变；另一方面加热电炉温度缓慢升高时热电偶所产生的电位差输入温度控制器，经放大后由信号接收系统绘出TG热分析图谱。
２曲线a所示。
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。
DTG是TG对温度(或时间)的一阶导数。
热重分析
质量分数(%) 一阶导数(%/min)
100 A 80
60
40
20
0 0 100
1.0 BG
–1.0
–3.0
–5.0
–7.0
–9.0
C
Tp
H
–11.0
200 Ti 400 500 Tf 700
T(K)
反应起始温度Ti和反应终了温度Tf之间的温度区间称反应区间。 亦可将G点取作Ti或以失重达到某一预定值(5%、10%等)时的 温度作为Ti，将H点取作Tf。Tp表示最大失重速率温度，对应 DTG曲线的峰顶温度。
传统热重仪器温度校正方法
外加温度校正附件 永磁铁 磁性标准物质，例如Ni 炉体
传统热重仪器温度校正方法
标准物质在居里点处由铁磁体变为顺磁体， TG信号表现为增重。
样品表观重量＝样品实际重量－样品被磁铁吸引的力
温度校正精度 >2℃
热天平可采用不同居里温度的 强磁体来标定。标定时在热天 平外加一磁场，坩埚中放入标 准磁性物质。磁性物质的居里 点是金属从铁磁性向顺磁性相 转变的温度，在居里点产生表 观失重。
质量分数(%) 一阶导数(%/min)
100 A 80
60
40
20
0 0 100
1.0 BG
–1.0
–3.0
–5.0
–7.0
–9.0
C
Tp
H
–11.0
200 Ti 400 500 Tf 700
T(K)
TG曲线上质量基本不变的部分称为平台，两平台之间的部 分称为台阶。B点所对应的温度Ti是指累积质量变化达到能 被热天平检测出的温度，称之为反应起始温度。C点所对应 的温度Tf是指累积质量变化达到最大的温度(TG已检测不出 质量的继续变化)，称之为反应终了温度。
热重分析
第18讲教学目的：使学生了解热分析的分类和术语教学要求：掌握热重分析的定义、影响因素教学重点：热重分析的定义、影响因素教学难点：热重及微商热重教学拓展：热重质谱联用作业：1.简述热分析的定义和分类？2.简述热重分析的原理和影响因素？3.热重法和微商热重法的区别是什么？第三章热分析第1节热重分析1.1概述：热分析的起源与发展发明人：ChatelierH.Le(1887)，他实际上并没有测定试样和参比物之间的温度差，而是把Pt-Pt10%Rh热电偶(用一根热电偶)插入受热的粘土试样中，加热速度为每2秒4℃，热电偶电动势用照相法记录下来，若粘土在加热过程中没有发生热变化，则照相记录是一系列距离的线条，若有热变化，则线条是由一系列疏密不同的线条组成的。
由于他只用了一根热电偶，严格地说只能叫热分析，算不上差热分析。
十二年后(1899)，英国人Roberts-Austen W.C.改良了恰特利的装置，采用两个热电偶反相连接，一个热电偶插入样品中，另一个插到参比物内，记录试样与参比物间产生的温度差ΔT，这就是目前广泛使用的差热分析法的原始模型。
热分析的定义热分析（Thermal Analysis），国际热分析协会（International Confederation for Thermal Analysis简称ICTA），在1968年第二次国际热分析会议上通过一个命名报告中作过阐明，而后在1977年第五次国际热分析会议上又作了修订。
定义如下：“在程控温度下，测量物质的物理性质与温度关系的一类技术。
”此处所说的物质是指被测样品和（或）它的反应产物，而程序温度一般采用线性程序，但也可以是温度的对数或倒数程序。
按照定义，称为热分析技术必须满足下述三条标准：1．必须测量物质的某种物理性质。
诸如热学的、力学的、电学的、光学的、磁学的和声学的等。
因此，热分析技术所涉及的范围极其广泛。
2．测量的物理量必须直接或间接表示为温度关系。
热重分析原理
热重分析原理
热重分析是一种常用的物理化学分析技术，主要用于研究材料的热稳定性、分解过程以及含水量等热学特性。
它的原理是通过测量样品在升温过程中的质量变化来分析样品的特性。
在热重分析中，通常使用灵敏度较高的电子天平来测量样品的质量变化。
样品被置于恒定温度下，然后随着温度的升高，活性物质开始分解、挥发或发生其他化学反应，这些变化将导致样品质量的变化。
通过连续地记录样品质量的变化情况，可以得到样品在不同温度下发生的热变化曲线。
根据样品质量的变化情况，可以推断出物质的热稳定性和分解特性。
例如，在某一温度下，如果样品质量明显下降，那么可以推断样品发生了分解反应。
此外，样品质量变化的速率也可以提供有关反应动力学信息的线索。
除了分析样品的热稳定性和分解过程外，热重分析还可以用于测定样品中的含水量。
在升温过程中，水分会从样品中挥发出来，因此通过测量质量的变化，可以估计样品中的水分含量。
综上所述，热重分析是一种常用的物理化学分析技术，通过测量样品在升温过程中的质量变化，可以研究样品的热学特性、分解过程以及含水量等重要参数。
它在材料科学、化学工程等领域具有广泛的应用。
第2章热重分析技术TGA(DTG)
汇报人：XX
contents
目录
• 热重分析技术概述 • TGA(DTG)技术介绍 • 热重分析实验方法与步骤 • 热重曲线解析及参数计算 • 热重分析技术在材料科学中应用案例 • 热重分析技术发展趋势与挑战
01
热重分析技术概述
热重分析技术定义
热重分析技术原理
热重分析技术应用领域
化学工程
用于研究化学反应的动力学过 程、催化剂的活性评价、反应 机理的探讨等。
生物医药
用于研究药物的稳定性、生物 大分子的热变性、生物组织的 热损伤等。
材料科学
用于研究材料的热稳定性、热 分解、相变等过程，以及材料 的组成和结构对性能的影响。
环境科学
用于研究大气污染物的来源和 转化过程、固体废弃物的热解 和焚烧过程等。
金属材料氧化过程分析
氧化过程定义
金属材料在加热过程中与氧气反 应形成氧化物的过程。
TGA(DTG)应用
通过TGA(DTG)技术可以分析金属 材料的氧化过程。例如，可以测 定金属在程序升温下的质量变化 和氧化速率，进而评估其抗氧化 性能。
案例分析
以钢铁为例，通过TGA(DTG)测试 ，可以研究其在加热过程中的氧 化行为，为钢铁材料的防腐蚀和 表面处理技术提供指导。
多种气氛可选
TGA(DTG)实验可在不同气 氛（如空气、氧气、氮气等 ）中进行，以模拟不同环境 下的物质变化过程。
定量分析
通过对热重曲线的分析，可 以定量计算样品中各组分的 含量，为物质组成分析提供 依据。
TGA(DTG)技术应用范围
材料科学
用于研究材料的热稳定性、热分解过程 、氧化还原反应等，为材料设计和性能
高分子材料热稳定性评价
热重分析原理及应用
热重分析原理及应用1. 热重法热重法，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。
通过分析热重曲线，我们可以知道样品及其可能产生的中间产物的组成、热稳定性、热分解情况及生成的产物等与质量相联系的信息。
从热重法可以派生出微商热重法，也称导数热重法，它是记录TG曲线对温度或时间的一阶导数的一种技术。
实验得到的结果是微商热重曲线，即DTG曲线，以质量变化率为纵坐标，自上而下表示减少；横坐标为温度或时间，从左往右表示增加。
热重法的主要特点，是定量性强，能准确地测量物质的质量变化及变化的速率。
根据这一特点，可以说，只要物质受热时发生质量的变化，都可以用热重法来研究。
图中给出可用热重法来检测的物理变化和化学变化过程。
我们可以看出，这些物理变化和化学变化都是存在着质量变化的，如升华、汽化、吸附、解吸、吸收和气固反应等。
热重法测定的结果与实验条件有关，为了得到准确性和重复性好的热重曲线，我们有必要对各种影响因素进行仔细分析。
影响热重测试结果的因素，基本上可以分为三类：仪器因素、实验条件因素和样品因素。
仪器因素包括气体浮力和对流、坩埚、挥发物冷凝、天平灵敏度、样品支架和热电偶等。
对于给定的热重仪器，天平灵敏度、样品支架和热电偶的影响是固定不变的，我们可以通过质量校正和温度校正来减少或消除这些系统误差。
1 气体浮力和对流的影响气体浮力的影响：气体的密度与温度有关，随温度升高，样品周围的气体密度发生变化，从而气体的浮力也发生变化。
所以，尽管样品本身没有质量变化，但由于温度的改变造成气体浮力的变化，使得样品呈现随温度升高而质量增加，这种现象称为表观增重。
表观增重量可用公式进行计算。
式中p为气体在273K时的密度，V为样品坩埚和支架的体积。
对流的影响：它的产生，是常温下，试样周围的气体受热变轻形成向上的热气流，作用在热天平上，引起试样的表观质量损失。
措施：为了减少气体浮力和对流的影响，试样可以选择在真空条件下进行测定，或选用卧式结构的热重仪进行测定。
热重分析(TG)
热天平种类
➢根据试样与天平横梁支撑点之间的相对位置，热
天平可分为下皿式，上皿式与水平式三种。
热天平测量原理
➢ 当天平左边称盘中试样因受热产生重量变化时，天平横梁连同光栏则向
上或向下摆动，此时接收元件接收到的光源照射强度发生变化，使其输 出的电信号发生变化。这种变化的电信号送给测重单元，经放大后再送 给磁铁外线圈，使磁铁产生与重量变化相反的作用力，天平达到平衡状 态。因此，只要测量通过线圈电流的大小变化，就能知道试样重量的变 化。（零为平衡）
➢粒度越小，反应速率越快，使TG曲线上的Ti和Tf
温度降低，反应区间变窄。
➢试样粒度大往往得不到较好的TG曲线。粒度减小
不仅使热分解温度下降，而且也使分解反应进行 的很完全。
德国NETZSCH STA449C型综合热分析仪
应用举例
• 大同煤的TG－DTG分析
Weight loss(wt%, daf) Rate of weight loss (%/s)
为了获得精确的实验结果，分析各种 因素对TG曲线的影响是很重要的。影响TG 曲线的重要因素包括：
一、仪器因素 二、试样因素
仪器因素
➢升温速率 ➢炉内气氛 ➢支持器及坩埚材料 ➢炉子的几何形状 ➢热天平灵敏度
(1) 升温速率
➢对热重法影响比较大。 ➢升温速率越大，所产生的热滞后现象越严重，
往往导致热重曲线上的起始温度Ti和终止温度 Tf偏高。虽然分解温度随升温速率变化而变化， 但失重量保持恒定。
CuSO4·5H2O的TG曲线
曲线EF段也是一平台，相应质量 为m2；曲线FG 为第三台阶，
质量损失为0.8mg，可求得质量 损失率
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100
1.5 80
1.0
Weight (%)
60
40
失重速率用正值表示
0.5
20 0.0 0
-20 400
450Leabharlann 500550600
-0.5 650
Universal V4.2E TA Instruments
Temperature (°C)
TG曲线与DTG 曲线
Deriv. Weight (%/°C)
它表示质量随时间的变化率（失 重速率）与温度（或时间）的关系。
微商热重曲线（DTG）曲线与热重 曲线的对应关系是： ������ 微商曲线上的峰顶点为失重速率 最大值点，与热重曲线的拐点相对应。
微商热重曲线上的峰数与热重曲线的台
阶数相等，微商热重曲线峰面积则与失
重量成正比。
120
TG TG曲线
DTG 2.0
60
40
20
C
0
D
Tef
Ti
500 550 600
-20 450
Temperature (°C)
Tf
650
T
TG 曲线的外推温度
特征分解温度 没有固定的统一的规定，而是多种 多样：
① 将外推起始温度作为特征分解温度
② 最大失重速率温度
③其它
2、 热重仪
热天平 亦即热重仪。在程序温度下，连 续称量试样的仪器。 热天平的结构类型 上皿式 立式 卧式 下吊式
（1）浮力的影响������ （2）试样盘（坩埚） ������ （3）挥发物的冷凝影响 ������（4）温度测量和标定影响
������
（5）仪器的灵敏度
实验条件的影响������
������ （1）升温速率的影响
������ ������
������
（2）试样量、粒度和形状
（3）气氛
（4）试样的装填方式
Weight (%)
1.0 100
0.8
80
0.6
TG曲线
60
0.4
0.2
40
DTG曲线
0.0
-0.2 0 200 400 600
Temperature (°C)
CuSO4· 5H2O 的TG 和DTG 曲线图
Deriv. Weight (%/°C)
Weight (%)
6、 热重曲线的影响因素
������ 仪器因素
a b
a—立式（下吊式）
b—立式（上皿式） c—卧式
c
热天平的类型
热天平的基本构造（下吊式）
岛津下吊式TG 仪
热天平原理 根据天平梁的倾斜与重量变化的 关系进行测定。
通常的两种测定方法：变位法和
零位法。
变位法 利用重量变化与天平梁的倾 斜成正比关系，直接用差动变压 器检测。
零位法 由重量变化引起天平梁的倾斜，
式中，W0为初始重量，
分别为温度在T1、T2时的重量。
W%
120
W 100 0
80
A
B
WT1
Weight (%)
60
40
WT2
20
C
0
D
T1
-20 450 500 550
T2
600
Temperature (°C)
T
650
TG 失重的计算
5、 微商热重法
微商热重曲线
热重曲线（TG曲线）对温度或时 间的一阶导数而得到的曲线，即DTG曲 线。
7、 热重法的应用
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；试验结果与实
验条件有关；应用广泛。
TG
100
DTG
2.5
2.0
90
1.5
1.0 80
0.5
70 0.0
60 0 50 100 150 200 250 300 350
-0.5 400
Temperature (°C)
Universal V4.2E TA Instruments
NaHCO3的TG曲线与DTG 曲线
Deriv. Weight (%/°C)
居里点法
用几种铁磁材料的居里点进行 温度标定。
吊丝融断失重法
用标定温度的金属丝制成直径小于 0.25mm的吊丝，把一个质量约5mg的 铂线圈砝码用此种吊丝挂在热天平的 试样容器一端，进行升温，通过金属 丝熔断来标定。
4、 热重法的计算
失重率 失重率＝
WT1 — WT2 W0
×100%
WT1 、WT2
其数学表达式为： W=f (T)
热重曲线
由热重法试验得到的曲线，亦称TG曲线。
120
A
B
100 80
Weight (%)
60
40
20
C
D
0
-20 450
Ti
500
550
600
Temperature (°C)
Tf
650
T
固体热分解反应的典型的 TG 曲线
平台
TG曲线上，质量基本不变的部分，
如前图中的 AB 和 CD。
靠电磁作用力使天平恢复到原来的平
衡位置。所施加的力与重量变化成正
比，而这个力是通过转换机构线圈中
的电流量成正比关系。
天平梁的倾斜可采用差动变压器或
光电系统检测，并自动调节输至线圈
中的电流大小和方向。
TA Q500热重仪
3、 热重法的温度标定
热分析温度非常重要，必须对热天平
进行准确的温度标定。有两种标定方法：
热重法 （Thermogravimetry, TG）
Contents
定义与相关知识
热重仪 热重法的温度标定 热重法的计算
微商热重法 热重曲线的影响因素 热重法的应用
1、定义与相关知识
热重法（Thermogravimetry）
简称 TG，是在程序控制温度下，测
量物质的质量与温度关系的一种技术。
起始分解温度 Ti 当累积质量变化达到热天平能够检 测时的温度，简称起始温度，如前图中 的 B 点。
终止温度 Tf 当累积质量变化达最大时时的温度， 简称终止温度，如前图中的 C 点。
反应区间 起始温度与终止温度之间的间隔，如
前图中的Ti — Tf。
120
W%
100
A
80
B
Tei
Weight (%)
DTG曲线
微商热重法 以微商热重曲线表示结果的热重 法，即 DTG 法。与TG法相比，DTG 法有特出的优点：
① 当某一步失重很小时，可以很容易看到 该步的失重来。 ② 当相邻的两步反应紧靠在一起，从TG曲线 上无法分得出来时，可从ＤＴＧ曲线上很清 楚地看出来。 ③ 可以很容易得到最大失重速率以及此时的 温度。