熱失重分析儀介紹和影響測試的幾種因素

何小蝶

摘 要 簡要介紹了熱分析的發展過程，作為熱分析方法中的一種——熱失重分析的應用、儀器構造和基本原理。并闡述了影響其分析測試的幾種因素及解決方法

關鍵詞 熱失重分析儀;原理;影響因素

中圖分類號：O6 文獻標識碼：A 文章編號：1671-7597（2014）22-0096-02

熱分析技術是研究物質在加熱或冷卻過程中發生物理或者化學變化的技術。近年來，熱分析方法迅猛發展，發展了很多測量儀器和方法，比如：差示掃描量熱儀、差示熱分析、熱機械分析、動力機械熱分析，熱失重分析法等等。其中熱重法是最早出現的，1786年Wedgnood在研究粘土時獲得第一條熱重曲線，1915年日本物理學家發明熱重分析儀TG。隨著科學的發展，熱重分析儀在精度、自動化、信號高靈敏度、分辨力等方面取有很大的提高和改善，操作日益趨于方便，其應用也更加廣泛。

1 熱失重分析的應用

熱失重分析是在程序控溫下測量試樣質量隨著溫度變化的一種方法。可測量樣品質量的變化，比如增加或者減少，測定質量改變（增加或者減少）的溫度。由于該技術具有需要質量少，試樣不用前處理，不使用溶劑，結果易于分析等特點，在生產與科學研究各個方面廣泛應用。是科學研究與發展必不可少的研究方法。廣泛應用于高分子材料、無機材料、塑料、橡膠、食品等領域。用于研究材料的熱穩定性、分解過程、材料成分的定量分析等。

1）熱失重分析方法在各個領域的應用。

在高分子材料方面，人們主要用來研究材料的熱穩定性，添加劑的穩定性，共聚物、共混物體系的定量分析，聚合物的熱裂解以及熱老化的研究等等。例如，在測試的過程當中，用不同的溫度范圍可以判斷該材料是否在該溫度范圍內穩定;若知道該高分子材料中存在揮發物，可以將該材料使用高于揮發物沸點的溫度下測試，那么就可以測定該高分子材料中的揮發物含量，利用熱分析研究藥物在受熱過程當中的各種物理化學變化，如晶型轉變、熔融、升華等等，從而對該藥品進行熔點、沸點確定及純度的檢驗。如，應用熱失重分析法可以判斷藥物分子中是否含有結晶水和含有結晶水的個數，并且準確地判斷水的成分是結晶水還是吸附水。根據范德霍夫方程，藥品熔點的下降與雜質的質量分數成正比，通過熔融曲線變寬，可以判斷熔點下降，是由于雜質的存在。采用熱重分析法與差示掃描量熱相結合的方法，能夠準確地測出其純度和熔點。

熱分析技術也用于環境監測，比如測定環境中的各種變化，如廢棄物的脫水、分解、降解等等。與其他技術結合測定空氣中懸浮顆粒中碳元素和可溶、難溶有機物的總量等。

2）熱失重分析與其他方法聯用應用。

熱失重分析方法跟其他熱分析方法聯用能夠獲得更為豐富的物理或者化學變化信息，近期發展起來的熱失重分析與其他非熱分析方法聯用，應用更為廣泛。比如，將熱失重分析儀與質譜或者紅外光譜儀聯用，能夠在線分析在溫度變化過程中產生氣體的性質，表征物質的種類。熱失重分析儀與質譜聯用，有很高的靈敏度，并能快速檢測極少量物質，在線分析揮發性化合物。材料的研發與質量控制方面，可以用來分析化合物的分解（PVC的熱解等）;在藥物合成方面，在合成過程當中，會經常使用各種溶劑，而殘留的溶劑會影響藥物的性質，所以需要測定藥物中殘留的溶劑，確保他們的含量盡可能低。

2 熱失重分析儀構造與基本原理

熱失重分析儀是熱分析儀器的一種，它主要由兩部分組成：天平和加熱爐。它的測量原理是給被測物質加溫，然后記錄被測物質質量隨溫度的變化，分析引起物質特性改變的溫度點，以及被測物質在溫度改變中吸收或者放出的能量，從而研究物質的性質。

根據天平與爐體的位置，可以將熱失重分析儀分為三類，分別為上置式、懸掛式和水平式，如下結構見圖。

圖1 熱失重分析儀的類型的結構簡圖

（箭頭的方向為爐體的運動方向）

分析天平是很靈敏和要求精度的儀器，在天平與爐體之間有保護措施保護天平不受腐蝕性分解物的腐蝕和熱量的熱輻射。除去結構的保護，通常情況下，會增加一路保護氣吹掃天平。

3 影響熱失重分析儀分析測試的幾種因素

1）升溫速率的影響。

升溫速率的選擇影響測試結果，尤其是樣品經歷化學反應的情況下。例如，較高的升溫速率能使反應移至較高的溫度。這是由于傳熱的滯后造成的。當升溫速率增加的時候，而傳熱又需要一定的時間，那么樣品內部不能及時升溫發生反應。因此在實際測試的過程中，要根據樣品的物理、化學性質來確定。對于不了解化學性能的，一般采用較快的升溫速率。一般較慢的升溫速率有利于中間產物的分離鑒定和重疊反應的分辨。常用的升溫速率是5-10℃/min。

2）坩堝的影響。

坩堝的選擇要遵循不影響樣品反應的原則。目前坩堝主要由以下幾種材料組成，如陶瓷、鋁、鉑、石英、剛玉、玻璃等。他們的使用溫度范圍是不同的，導熱也不一樣。溫度在500度以下的時，可以使用鋁坩堝;超過500度以上，可以選擇陶瓷或者鉑坩堝等。因此在測試的時候要選擇合適的坩堝。

3）樣品填裝與量。

樣品填裝與量影響熱傳導和逸出物的擴散。例如，試樣在坩堝中的填裝松緊程度會影響熱分解氣體向周圍空間的擴散和試樣與氣氛的接觸;對于非均勻樣品或者質量變化很小的樣品，需要加大樣品量。總之在樣品填裝的時候，要注意以下幾點：①保證試樣內部的溫度分布盡量均一;②保證試樣與坩堝接觸良好。

4）氣體選擇及流量的影響。

熱失重分析通常是在靜態或者動態氣氛下操作的。是選擇動態還是靜態氣氛，需要考慮產物是否受分壓影響。靜態氛圍下，溫度升高，反應速度加快，但是試樣周圍的氣體會增加，分壓升高，反應會移向高溫;在動態氛圍下，反應物不容易聚集，反應溫度不會受分壓的影響。另一方面，要保證氣體流量的平衡，避免載體流動對天平造成波動。如果坩堝所處的空間密度對溫度升高降低，浮力減小，表現為表觀增重;如果氣流往上，會引起浮力增大，表現為表觀失重。

4 結論

熱失重分析作為熱分析方法的一種，具有在各個方面都有廣泛的應用。例如通過曲線的臺階計算或者同步DSC或者同步DTA，可以得出材料或者化學物的熱穩定性、分解、反應性氣體的影響、所含水份、吸附/解吸附過程、蒸發行為等。

在測試分析的過程中，有很多因素會影響熱分析測試的結果。為避免一些影響因素，保證實驗結果有很好的重復性、重現性和可比性，事先確定統一的實驗條件進行實驗，發現這些因素影響的大小及規律，有效避免。同時，也需要甄別一些假象因素，力求得出最真實的結果。例如，在加熱時，由于氣體氛圍隨著溫度的升高，密度下降，產生浮力效應，導致表觀質量的增加。通常浮力效應是可以通過扣除空白曲線來解決。其次在測試的過程當中，樣品突然伴隨生成的氣體噴出也會造成質量的突然減少。這個可以通過添加坩堝蓋來解決;再者，氣體的流速的不穩定也會造成曲線的增重或者減重，所以在測試過程當中，要保證氣體流速的穩定性。

參考文獻

[1]陸立明譯.熱分析應用基礎[M].華東大學出版社.

[2]劉振海，徐國華，張洪林，等.熱分析與量熱儀及其應用[M].化學工業出版社.endprint