热重分析及差热分析

线，即DTA曲线。
热重分析法
• 分析原理 • 仪器装置 • 影响因素 • 应用
基本原理
许多物质在加热或冷却过程中除了产生热效应外，往往有 质量变化，其变化的大小及出现的温度与物质的化学组成 和结构密切有关。因此利用在加热和冷却过程中物质质量 变化的特点，可以区别和鉴定不同的物质。
• 热重分析法(TG):在程序控制温度下，测量物质的质量与 温度变化关系的一种技术。 TG曲线记录的是质量-温度， 质量保留百分率-温度或失重百分率-温度的关系。
当试样发生任何物理（如相转变、熔化、结晶、升 华等）或化学变化时，所释放或吸收的热量使试 样温度高于或低于参比物的温度，从而相应地在 DTA曲线上得到放热或吸收峰。
差热分析曲线
根据国际分析协会ICTA的规定，差热分析DTA是 将试样和参比物置于同一环境中以一定速率加热 或冷却，将两者间的温度差对时间或温度作记录 的方法。从DTA获得的曲线试验数据是这样表示的 ：纵坐标是试样与参比物的温度差ΔT，向上表示 放热反应，向下表示吸热反应，横坐标为T（或t ），从左到右增加。
物质在温度变化过程中，常常伴随宏观物理、化学等性 质的变化，宏观上的这些性质变化通常又与物质的组成和 微观结构相关联。通过测量和分析物质在加热或冷却过程 中的物理、化学性质的变化，可以对物质进行定性、定量 分析，从而实现对物质的结构鉴定，为新材料的研究和开 发提供热性能数据和精细结构信息。
热分析需满足三个条件
含有一个结晶水的草酸钙的TG曲线和DTG曲线
CaC2O4·H2O→CaC2O4+H2O （100-200℃，失重量12.5% ）
CaC2O4→CaCO3+CO
（400-500℃，失重量18.5%）
CaCO3→CaO+CO2 （600-800℃，失重量30.5% ）
影响因素
1.升温速率
升温速率快：TG曲线出现弯曲； 升温速率慢：曲线易出现平台。以较慢的升温速 率为宜：过快的升温速率有时会导致丢失某些中间产 物的信息 。
辨率更高。 ➢ DTG曲线峰的面积精确对应着变化了的样品重量，较TG
能更精确地进行定量分析。 ➢ 能方便地为反应动力学计算提供反应速率（dw/dt）数据
。 ➢ DTG与DTA具有可比性，通过比较，能判断出是重量变
化引起的峰还是热量变化引起的峰。TG对此无能为力。
➢ TG与DTG的测量都要依靠热天平。
➢ 热天平是实现热重测量技术而制作的仪器，它是在普通 分析天平基础上发展起来的，具有一些特殊要求的精密仪 器：（1）程序控温系统及加热炉，炉子的热辐射和磁场 对热重测量的影响尽可能小；（2）高精度的重量与温度 测量及记录系统；（3）能满足在各种气氛和真空中进行 测量的要求；（4）能与其它热分析方法联用。
9.磁学特 17)热磁学法 性
热分析应用类型
1、成份分析：无机物、有机物、药物和高聚物的鉴别和分 析以及它们的相图研究。
2、稳定性测定：物质的热稳定性、抗氧化性能的测定等。 3、化学反应的研究：比如固-气反应研究、催化性能测定、
反应动力学研究、反应热测定、相变和结晶过程研究。 4、材料质量测定：如纯度测定、物质的玻璃化转变和居里
2. 试样容器形状及材质
对涉及气体的物质有明显影响。 惰性材质 ：铂和陶瓷
3. 炉内气氛
提供：动态（流动）或静态气氛 ；惰性或真空环境 。
4. 试样量：
①吸热(放热)反应：试样量越大，试样温度 偏离线性程序升温的程度越大；
②气体产生的试样：试样量越大，中间产生 的气体扩散出去的阻力越大；
③试样量越大，试样内易产生温度梯度，不 利于热平衡。
m = f ( T或t )
热重分析法包括静态法和动态法两种类型
• 静态法又分等压质量变化测定和等温质量变化测定两种。 • 等压质量变化测定又称自发气氛热重分析，是在程序控制
温度下，测量物质在恒定挥发物分压下平衡质量与温度关 系的一种方法。该方法利用试样分解的挥发产物所形成的 气体作为气氛，并控制在恒定的大气压下测量质量随温度 的变化，其特点就是可减少热分解过程中氧化过程的干扰 。等温质量变化测定是指在恒温条件下测量物质质量与温 度关系的一种方法。该法每隔一定温度间隔将物质恒温至 恒重，记录恒温恒重关系曲线。
dm/dt = f ( T或t )
不同点
TG与DTG：信号 处 理方式不同。 曲线：台阶与峰 形； 原理：共性。 DTG：分辨率提 高；信息多。
DTG曲线的优点
➢ 能度T准e和确反反应映终出止起温始度反T应f 。温度Ti，达到最大反应速率的温 ➢ 更能清楚地区分相继发生的热重变化反应，DTG比TG分
• 试样S与参比物R分别装在两个坩埚内。在坩埚 下面各有一个片状热电偶，这两个热电偶相互反
接。对S和R同时进行程序升温，当加热到某一温 度试样发生放热或吸热时，试样的温度TS会高于 或低于参比物温度TR产生温度差△T，该温度差 就由上述两个反接的热电偶以差热电势形式输给
差热放大器，经放大后输入记录仪，得到差热曲
• 动态法又称非等温热重法，分热重分析和微商热重分析。 热重和微商热重分析都是在程序升温的情况下，测定物质 质量变化与温度的关系。微商热重分析又称导数热重分析 （derivative thermogravimetry，DTG)，它是记录热重曲线 对温度或时间的一阶导数的一种技术。由于动态非等温热 重分析和微商热重分析简便实用，又利于与DTA 、DSC等 技术联用，因此广泛应用在热分析技术中。
（2）比较失重速率
热稳定性比较示意图
测定吸附水、结晶水、脱水量等；
物质的成分分析
1.添加剂和杂质的分析
玻璃钢的TG曲线
（1）挥发性物质：如水、增塑剂等， 在树脂分解之前已先逸出；
玻璃的成分分析
（2）无机填料如二氧化硅、玻璃纤 维等，在树脂分解后仍然残留。
2. 共聚物和共混物的 组成分析
共聚物的TG曲线
热天平由精密天平和线性程序控温加 热炉组成。
热重分析仪（TG）原理图
三路气体的质量流量计
试 样
热天平
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（光敏三极管）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。
2）等压质量变化测 定
4.尺寸 10)热膨胀法
3)逸出气体检测
EGD 5.力学特 11)热机械分析
TMA
性
4)逸出气体分析
EGA
12)动态热机械分析 DMA
5)放射热分析
6.声学特 13)热发声法 性
6)热微粒分析
14)热声学法
2.温度 7)加热曲线测定
7.光学特 15)热光学法 性
8)差热分析
DTA 8.电学特 16)热电学法 性
点、材料的使用寿命测定。 5、材料的力学性质测定：抗冲击性能、粘弹性、弹性模量
、损耗指数和剪切模量等的测定。 6、环境监测：研究蒸汽压、沸点、易燃性等。
差热分析法(DTA) ( Differential Thermal Analysis)
定义：在程序控制温度下，测量物质和参比物之间 的温度差与温度关系的一种技术。
热分析方法
一：热分析法概述 二：差热分析法（DTA) 三：热重法（TG）
热分析法概述
热分析方法是利用热学原理对物质的物理性能或成分进行 分析的总称。根据国际热对热分析法的定义：热分析是在 程序控制温度下，测量物质的物理性质与温度关系的一门 技术。所谓“程序控制温度”是指用固定的速率加热或冷 却，所谓“物理性质”则包括物质的质量、温度、热焓、 尺寸、机械、电学、声学及磁学性质等。
1）测量的参数必须是一种“物理性质”，包括质 量、温度、热焓变化、尺寸、机械特性、声学特 性、电学及磁学特性等。 2）测量参数必须直接或者间接表示成温度的函数 关系。 3）测量必须在程序控制的温度下进行.
热分析法种类
物理性 分析技术名称 简 称 物理性质
分析技术名称
简
质
称
1.质量 1）热重法
TG 3.热焓 9)差示扫描量热法 DSC
共聚物的热稳定性总 是介于两种均聚物的热稳 定性之间，且随组成比而 变化。
共混物出现各组分的 失重，是各组分纯物质的 失重乘以百分含量叠加的 结果。
谢谢大家！
样品量要少，粒度也以越细越好，而且要尽 可能将样品铺平。
5分辨率↑，可使用 较快的升温速率。
6. 温度测量准确性
应用
TG应用于高分子材料组成的分析，热稳定性测定、氧 化或分解反应及其动力学研究、失去低分子物的缩聚反应 研究、材料老化研究等。
热稳定性的评价
（1）比较起始（或5%）失重的温度
• 适合热重分析的反应：±Δm
Ag2CrO4 → O2↑ + Ag + AgCrO2
吸附水挥发 质量恒定 失重
定量分析：组成不同，质 量变化不同。
获取信息：热稳定性、抗 热氧化性、吸附水、结晶 水、脱水速率、干燥条件、 热分解等相关信息。
• 微商热重法(DTG):记录质量变化速率与温 度的关系，即将质量对温度求导。