熱重分(fēn)析(thermogravimetric analysis, TGA)是在(zài)程序溫度控(kòng)製下和(hé)不同氣(qì)氛(fēn)中測量試(shì)樣的質(zhì)量(liáng)與溫度或(huò)時間(jiān)(恒(héng)溫(wēn)實(shí)驗)關係的(dí)一種技(jì)術。用於進(jìn)行這(zhè)種(zhǒng)測量的(dí)儀器稱(chēng)為熱重(zhòng)分(fēn)析(xī)儀①。圖(tú)27-1為梅特勒-托利多(duō)TGA/SDTA 851^e熱(rè)重分(fēn)析儀(yí)。

圖(tú)27-1梅(méi)特(tè)勒一托(tuō)利多TGA/SDTA851^e熱重分析儀

TGA測(cè)量的結果以(yǐ)質量(liáng)對溫度(dù)或(huò)時間(jiān)繪(huì)製(zhì)的TGA曲綫表示。TGA信號對溫(wēn)度(dù)或(huò)時間(jiān)的一階導數，表示質(zhì)量(liáng)的(dí)變(biàn)化速(sù)率(shuài)，稱(chēng)為DTG曲(qū)綫，是對(duì)TGA信(xìn)號(hào)的(dí)重(zhòng)要(yào)補充性表示。

TGA儀(yí)測試的強(qiáng)項是定(dìng)量實驗(yàn)，是測試(shì)物(wù)質熱(rè)穩(wěn)定性(xìng)的(dí)首xuan儀器。它的應用(yòng)範圍十(shí)分廣(guǎng)泛(fàn)，可(kě)用(yòng)於研(yán)究(jiū)物(wù)質(zhì)晶體(tǐ)性質(zhì)的(dí)變化，如熔化，蒸(zhēng)發(fā)，升華(huá)和吸(xī)附等(děng)物理(lǐ)現象和(hé)物(wù)質(zhì)的脫(tuō)水，離(lí)解(jiě)，氧化，還(huán)原等(děng)物(wù)質的化(huà)學現(xiàn)象。適合測(cè)試(shì)各種(zhǒng)不(bù)同(tóng)種類的試(shì)樣，如(rú)金(jīn)屬，陶瓷(cí)，橡膠等各(gè)種(zhǒng)物質，且(qiě)樣(yàng)品的(dí)形(xíng)狀也不(bù)受(shòu)限(xiàn)製(zhì)，粉狀，塊狀，液體(tǐ)，纖(xiān)維(wéi)均可。但(dàn)不(bù)適用(yòng)於(yú)在(zài)常溫下揮發(fā)性很(hěn)強的物質(zhì)的定量實驗(yàn)，因(yīn)為在稱(chēng)重(zhòng)過程中(zhōng)無(wú)法定(dìng)量。

基本原(yuán)理

當試樣以不同方式失去(qù)物(wù)質或(huò)與(yǔ)環(huán)境(jìng)氣氛(fēn)發(fā)生反應時(shí)，質量出(chū)現變化，在(zài)TGA曲綫(xiàn)上(shàng)產生台階(jiē)，或(huò)在(zài)DTG曲綫上(shàng)產(chǎn)生峰(fēng)。被測物質在(zài)加(jiā)熱過(guò)程中(zhōng)會(huì)發(fā)生變化，會升(shēng)華，氣(qì)化(huà)，分解(jiě)出氣(qì)體或(huò)失去結(jié)晶水(shuǐ)等。無質量變(biàn)化(huà)時(shí)，熱天平(píng)保持初(chū)始的(dí)平衡(héng)狀態，若有(yǒu)質量變化(huà)，天(tiān)平則失(shī)去平衡，由傳(chuán)感(gǎn)器檢測並輸(shū)出天(tiān)平(píng)失衡信號。熱重(zhòng)分析儀常用(yòng)的測(cè)量原理有(yǒu)兩(liǎng)種，即變(biàn)位法(fǎ)和(hé)零位法。變位(wèi)法是根(gēn)據(jù)天平梁(liáng)傾(qīng)斜度與(yǔ)質(zhì)量(liáng)變化(huà)成比(bǐ)例的(dí)關(guān)係，用差動(dòng)變壓器(qì)等(děng)檢知(zhī)傾斜(xié)度(dù)，並自動記錄，這種(zhǒng)方(fāng)法也(yě)可(kě)以(yǐ)檢測重量變化(huà)的速度，即(jí)利(lì)用(yòng)磁(cí)鐵在螺綫管(guǎn)中移動時，在螺(luó)綫(xiàn)管中(zhōng)流(liú)動的(dí)電流與其移動(dòng)的速度成(chéng)比例這一關係(xì)。零位(wèi)法是采(cǎi)用差動(dòng)變(biàn)壓器法(fǎ)，光學(xué)法測(cè)定(dìng)天平梁(liáng)的傾(qīng)斜度(dù)，然(rán)後調(tiáo)整安裝(zhuāng)在天(tiān)平係(xì)統和磁(cí)場(cháng)中綫(xiàn)圈(quān)的電流，使(shǐ)綫(xiàn)圈轉動恢復天平梁的傾斜(xié)。由於綫(xiàn)圈轉(zhuǎn)動(dòng)所施(shī)加(jiā)的(dí)力與(yǔ)質(zhì)量變(biàn)化(huà)成比例，這(zhè)個(gè)力(lì)又與(yǔ)綫圈中的(dí)電流成比(bǐ)例，因(yīn)此隻須(xū)測(cè)量並記(jì)錄(lù)電(diàn)流的變化(huà)，便(biàn)可(kě)得(dé)到質量(liáng)變(biàn)化的曲綫(xiàn)。

熱(rè)重法試(shì)驗(yàn)得(dé)到的曲綫稱為(wéi)熱(rè)重曲(qū)綫(xiàn)(TGA曲綫),TGA曲(qū)綫以質量(liáng)(或(huò)失(shī)重率(shuài))作縱坐(zuò)標(biāo)，從上(shàng)向(xiàng)下表(biǎo)示(shì)質量減(jiǎn)少(shǎo)
；以(yǐ)溫(wēn)度(或(huò)時間)作橫坐(zuò)標(biāo)，自左至(zhì)右表示溫(wēn)度(dù)(或時間(jiān))增(zēng)加。在(zài)TGA實驗中(zhōng)，失(shī)去的(dí)重量(liáng)提供了樣品組分的定(dìng)量信(xìn)息(xī)，通(tōng)過分(fēn)析(xī)TGA曲綫(xiàn)，就可以(yǐ)知道被(bèi)測物質(zhì)在哪(nǎ)個(gè)溫度段發生了(liǎo)什(shí)麼變化，有無(wú)質量(liáng)損(sǔn)失(shī)，失重(zhòng)率(shuài)是多少，分幾步(bù)分(fēn)解，分解的(dí)溫度範圍，熱(rè)穩定性，結(jié)晶水(shuǐ)的鑒(jiàn)定等信息(xī)，並且根據(jù)失去的重(zhòng)量，求出百分(fēn)比，由此(cǐ)也可(kě)推斷(duàn)出失去的(dí)是什麼(mó)物質。

圖27-2為一水草酸(suān)鈣(gài)分解(jiě)的TGA曲綫和(hé)DTG曲(qū)綫(xiàn)，試(shì)樣(yàng)質量為19.03mg，升溫(wēn)速(sù)率為30K/min，氮(dàn)氣氣氛(fēn)。三個失(shī)重台階的溫度範(fàn)圍在一(yī)階導(dǎo)數(shù)即DTG曲綫(xiàn)上特別(bié)清楚。

圖27-2一水草酸鈣(gài)分(fēn)解的TGA曲綫(上)和(hé)DTG曲綫(xiàn)(下)