異常形態熱重曲線的原因探析與改進方法

章　斐

(北京大學 分析測試中心, 北京　100871)

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異常形態熱重曲線的原因探析與改進方法

章斐

(北京大學 分析測試中心, 北京100871)

對于SDT-Q600差熱-熱重同步測定儀在使用過程中出現的異常形態熱重曲線,從儀器結構和測試原理入手,細致分析了異常形態產生的原因,發現外界的震動、氣氛氣體的擾動、天平失穩、加樣方式不妥以及樣品本身特殊的物理、化學特性均會對熱重曲線產生干擾,需要謹慎排查和處理,并采取合適的方法積極預防或削減這些干擾因素,確保測試結果的準確可靠。

熱重分析； 熱重曲線； SDT-Q600； 異常曲線； 影響因素

熱重法(Thermogravimetry,TA)或熱重分析法(Thermogravimetric Analysis,TGA),是在溫度程序控制下,在一定的氣氛中測量試樣重量與溫度(或時間)關系的一種技術。將連續測得的試樣的重量對溫度或時間作圖,即得到熱重曲線(TG曲線)。曲線的縱坐標通常為重量(或重量百分數),橫坐標為溫度T(變溫實驗)或時間t(恒溫實驗)[1]。根據TA曲線可以了解樣品的熱穩定性、氧化穩定性、組分及含量等信息，直接反映樣品在設定的實驗條件下穩定性,是否發生了與質量相關的物理或化學變化。通常,由于物質化學鍵的斷裂產生小分子氣體產物或者由于升華、揮發離開試樣表面,表現為失重；而某些水解、氧化、吸濕等可表現為增重。因此,熱重分析中很多因素,如儀器結構、實驗氣氛、方法參數、樣品形態及用量甚至坩堝材質及尺寸等都直接影響到測試結果[2-12],而樣品來源的廣泛性以及在加熱過程中發生反應的復雜性,更增加了測試結果的不確定性,甚至會出現異常形態的TG曲線。本文總結了SDT-Q600差熱-熱重同步測定儀(以下簡稱SDT-Q600)得到的異常測試結果。

1　SDT-Q600的儀器結構及測試特點

SDT-Q600的結構示意圖見圖1[13],屬于平臥式雙天平結構,其樣品臂和參比臂各與一組天平相連,給出的重量信號(熱重曲線的縱坐標)為樣品臂和參比臂的重量信號之差,自動扣除天平臂的熱膨脹和浮力效應,無需另測空白基線進行浮力修正,直接得到樣品的TG曲線。在樣品臂和參比臂內各嵌入了一對鉑/鉑銠熱電偶,用于測量樣品溫度、參比溫度以及二者溫度差,在獲得TG曲線的同時得到差熱曲線(DTA曲線)。依據此差熱曲線,并結合標準藍寶石片(比熱已知)的校正文件,由儀器操作軟件自動計算出熱流曲線(DSC曲線)。曲線的溫度坐標均采用樣品溫度。

圖1　SDT-Q600 儀器結構示意圖

2　異常形態TG曲線原因分析與改進方法

熱重儀器的核心部件是熱天平系統。很多因素都會對熱天平系統的穩定工作產生擾動,如外界的震動、氣氛氣體的波動以及樣品的活動等,讓熱天平系統獲得假象信號,從而出現形態異常的TG曲線[14-15]。

2.1因外界震動導致TG曲線出現突然的跳躍

圖2是碰撞了放置儀器的實驗臺而導致TG曲線向增重方向的突然跳躍。圖3是搬運氣體鋼瓶時不小心碰撞了儀器附近的地面,導致TG曲線向失重方向突然跳躍。因此有條件的話,應將儀器放置于防震效果較好的大理石臺面或水泥臺面上。

圖2　碰撞儀器放置臺導致TG曲線異常

圖3　地面震動導致TG曲線異常

2.2因氣氛氣體擾動引起TG曲線的異常

SDT-Q600儀器內部配置了氣體質量流量計,可準確調節氣氛氣體流速并保持恒定。即使如此,如果在測試過程中調整氣體鋼瓶(或其他供氣源)減壓閥的壓力,仍會引起儀器內部氣氛氣體壓力的波動,對熱天平系統產生擾動,導致TG曲線出現跳躍,如圖4所示。

圖4　調節氣瓶減壓閥導致TG曲線異常

另外,尾氣管排出的氣態分解產物,有些會凝結成固體焦狀物積附在尾氣管壁上。如果不及時清理,有可能堵塞氣道而導致爐內氣流不暢、氣壓波動,使得熱天平讀數不規則地波動,出現如圖5所示的異常TG曲線。隨著氣溫的升高尾氣管阻塞物被沖開,使得此樣品后半段的測試曲線又趨正常。

圖5　尾氣管堵塞導致TG曲線異常

因此,對于熱重類儀器既要注意氣氛氣體導入時壓力的穩定和流速的恒定,也要定期清理尾氣管,保持出氣口的通暢,才能為試樣提供穩定的測試氛圍。

2.3因熱天平系統不穩定引起TG曲線的異常

根據老師給出的詞語，孩子們很快就能在腦子里形成了自己的故事，有人物有情節、有內容，有想象。既是對詞語的理解運用的訓練，也提高了對作文的興趣。在將來給他們寫各類文章的時候，他們都能根據寫作要求給出不多寫作素材去聯系生活實際，并充分發揮想象，高度準確地將所掌握的好詞好句運用得得心應手。

SDT-Q600天平的靈敏度高達0.1 μg,正常工作時的基線波動(背景噪聲)應該在1 μg之內,且在最大檢測溫度范圍內空白基線的漂移不超過50 μg。但如果熱天平系統自身不能穩定地工作,記錄的TG曲線就會出現問題,直接影響檢測效果。圖6是由于參比天平不能穩定工作,使得TG曲線出現了斷續或連續的鋸齒狀抖動和毛刺,更換參比天平后測試恢復正常。圖7是樣品臂(即樣品側的天平臂)安裝有松動,測試過程中有不規則抖動反映在TG曲線上,調整后恢復正常。

圖6　參比天平不穩定引起TG曲線異常

圖7　天平臂不穩定引起TG曲線異常

一般來講,因熱天平系統不穩定引起的TG曲線抖動在一系列測試中均會出現,但溫度抖動會比較隨機。碰到這種情況,首先應排除外界的影響和氣氛氣體的影響,然后運行空白基線測試。如果空白基線也出現毛刺或抖動,基本上可以歸為熱天平系統的問題,請儀器工程師作進一步的確診和維修。但如果空白基線測試結果正常,則要考慮是樣品本身的原因。

2.4因樣品熔融導致TG曲線抖動

圖8的TG曲線出現小峰狀的抖動,從同步測得的DSC曲線(heat flow曲線)上可以看到試樣在此溫度區間有個吸熱峰,表明試樣發生熔融。熔融屬于一級相變,試樣在發生相變潛熱的同時會伴隨體積的變化。因此,對于密度較小的樣品,隨著測試溫度的升高,靠近坩堝壁的試樣優先獲得熱量而先熔化時體積收縮,導致中間尚未熔融的試樣“塌陷”下來,對天平臂造成干擾性抖動,最終表現為TG曲線的抖動。有些試樣熔融成液體后在坩堝內有流動,使得試樣坩堝的重心發生變化,也會引起重量的變化。

圖8　試樣熔融導致TG曲線抖動

圖9的TG曲線在170～220 ℃溫度區間出現了先失重再增重現象,而該化合物在高純氮氣氣氛下是不應該有此異象的。在同步測得的DSC曲線上,觀察到對應溫度區間有一個較小的吸熱峰緊接著出現一個較大的放熱峰,借助熱臺偏光顯微鏡和紅外光譜儀等研究手段進行進一步的觀察和分析,發現試樣在該溫度區間發生了熔融(吸熱),同時又發生了交聯反應(放熱),導致樣品坩堝重心的變化從而影響到天平臂的穩定、出現異常TG曲線。

圖9　試樣熔融并交聯導致TG曲線異常

將圖9對應的樣品重新測試,加樣量從2.80 mg減少到1.39 mg,且將試樣壓實到坩堝底部,得到了正常的TG曲線,如圖10所示。但也有一些熔融后流動性很強，甚至爬壁的試樣,熔融過程對TG曲線的影響不易消除。

圖10　正常的TG曲線(圖9樣品)

需要注意的是,有些樣品在熔融過程中也同時伴隨質量的失去,如熔融時水分的逃逸或截留溶劑的失去,甚至個別樣品會發生揮發性熔融,即熔融成液相后立即蒸發失重[4]。因此,對于熔融失重的樣品應謹慎對待,需要改變測試條件進行甄別和確認,必要時借助熱臺偏光顯微鏡觀察是否發生熔融相變,或通過熱重-紅外聯用儀、熱重-質譜聯用儀、元素分析儀等方式判斷是否發生了真正的失重。

2.5測試過程試樣活動導致TG曲線異常

圖11　試樣活動引起TG曲線的異常

圖12　正常的TG曲線(圖11樣品)

此外,纖維樣品、絮狀樣品或薄膜樣品也容易出現這類問題。如果樣品是卷曲著堆壓在坩堝內,隨著溫度升高,坩堝內的試樣有可能會舒展開來,甚至翹出坩堝外,在氣氛氣體中抖動,從而擾動天平的正常測試,導致TG曲線的異常。所以,對于這類樣品要十分注意加樣方式,盡量剪成小于坩堝直徑的小段或小片,讓試樣在坩堝內碼放整齊服貼,避免測試過程中產生不必要的形態變動。

2.6樣品分解時體積膨脹導致TG曲線異常

有些試樣受熱到一定程度后容易發泡膨脹,在分解產生氣體的同時,試樣如氣球般地從坩堝上沿向外鼓出。鼓出的“氣球”如果不與樣品坩堝以外的其他部位粘碰,一般不會影響熱重測試結果。圖13中的試樣在分解過程中鼓起的“氣球”實在太大,粘上了旁側的參比坩堝,并給予往上提的力,使得樣品的“表觀”重量巨增,表達在TG曲線上的增重率高達2 703%；隨著分解反應的進行,“氣球”收縮,又轉化為對參比坩堝施加壓力,使得試樣的“表觀”重量減少,失重率出現負值(-781%)；隨著試樣分解完成,“氣球”已不存在,TG曲線才回歸正常。對于這樣的樣品,需要控制好加樣量,或適當降低升溫速率。圖14是圖13樣品的重新測試,將試樣量從4.58 mg調整為1.95 mg,得到了正常的TG曲線。

圖13　試樣體積膨脹導致TG曲線異常

圖14　控制加樣量后TG曲線正常(圖13樣品)

2.7因試樣跳濺導致TG曲線異常

一般而言,隨著溫度的程序遞升,試樣若在某一溫度開始發生反應,需要經歷反應的開始—劇烈—衰退過程,整個反應過程的重量變化對應一段時間長度,表達在TG曲線上是一個有曲率變化的臺階。如果TG曲線出現直降式的失重臺階,經常是不正常的行為,需要密切關注。

圖15是小晶粒試樣,升高至一定溫度時逐粒飛出坩堝,導致TG曲線一段一段地直降失重；圖16—圖18是同一樣品(含有某些添加物的橡膠薄片)。切一塊小薄片(3.42 mg)進行測試,試樣卻在分解開始時整塊飛離了樣品坩堝(見圖16)；減少試樣量至2.82 mg重新測試,試樣依然飛出樣品坩堝,并碰巧掉入參比坩堝內,使得質量從2.58 mg直接降到-2.48 mg,隨著試樣在參比坩堝內分解失重,TG曲線又呈增重表現,直至分解完全(圖17)；取試樣量為2.08 mg,并將試樣剪成細小條后再進行測試,獲得了正常的TG曲線(見圖18)。

圖15　小晶粒跳濺導致TG曲線異常

圖16　整塊試樣飛離坩堝導致TG曲線異常

圖17　整塊試樣飛到參比坩堝導致TG曲線異常

圖18　正常的TG曲線(圖16和圖17樣品)

樣品在測試過程中發生跳濺的原因可能是試樣顆粒受熱后表面崩裂導致部分試樣飛出,或是試樣中可能含有較多的氣體(或含有類似炸藥的成分),受熱后氣體急劇膨脹造成跳濺,離開坩堝。將樣品適當研細或剪切成細小狀,有利于避免跳濺現象的發生,獲得正常的TG曲線。如果這樣的處理仍不能避免試樣跳濺,可考慮在樣品坩堝上加上帶小孔的蓋子(但會使分解溫度向高溫方向偏移),也可在試樣上蓋上一定質量的玻璃纖維或罩上一個鉑金網,均能較好地防止樣品的跳濺[16 ]。

2.8因試樣瞬時急劇分解導致TG曲線異常

有些特殊樣品的分解反應太過迅猛,瞬間分解出的氣體對天平臂產生較大的壓力波動,會出現如圖19所示的反沖效應,在反彈增重后馬上垂直失重,TG曲線失真。在實驗中也遇到過個別樣品在急劇分解的同時,甚至讓樣品坩堝也飛離樣品臂,直接失去了試樣及坩堝的重量。因此,對于這類分解劇烈、有爆炸傾向的樣品,必須嚴格控制加樣量在1 mg以下(甚至0.5 mg以下),才能保障儀器安全,并獲得到基本正常的TG曲線。

圖19　試樣急劇分解導致TG曲線異常

2.9TG曲線出現回縮現象

SDT-Q600實時測量3個溫度:爐子溫度、試樣溫度和參比溫度。爐子溫度是特定溫度程序下實測的爐壁溫度,給樣品提供一定的熱環境；參比溫度為參比端熱電偶溫度,以此溫度進行溫度程序控制；樣品溫度為樣品端熱電偶溫度,作為橫坐標的溫度。正常情況下3個溫度的變化均遵守程序溫度的變化,只是試樣溫度和參比溫度會比爐子溫度略為滯后。但當試樣自身有特別劇烈的放熱時,試樣溫度和參比溫度超過程序設置溫度,這時等速升溫的程序會受到干擾,系統將自動停止升溫并進行降溫,待參比溫度降到程序控制溫度時,繼續進行升溫。所以用樣品溫度做橫坐標時,TG曲線上就出現了曲線回縮現象,見圖20。

圖20　TG曲線出現回縮現象

嚴格地說,此類TG曲線并不異常,只是客觀反映了試樣溫度變化的實際情況。減少試樣量和降低升溫速率,可以控制試樣的放熱量和放熱速率,獲得沒有回縮的TG曲線。另外,也可選擇時間作為橫坐標消除回縮現象,如圖21所示。有些儀器廠家直接以爐子溫度作為TG曲線的橫坐標,不反映試樣的溫度情況,也就不會出現TG曲線的回縮現象。

圖21　以時間作為橫坐標可消除回縮現象

3　結論

熱重分析儀作為靈敏度很高的精密測試儀器,在測定過程中,不僅記錄試樣的質量變化情況,同時也如實記錄天平感知到的其他因素帶來的擾動。異常形態熱重曲線的出現,除上面提到的外界震動、氣氛擾動、天平失穩和樣品本身的物理、化學特性外,污染物的存在、儀器參數設置錯誤、校正文件不正確、強磁場的干擾等也是需要考慮和排查的因素。所以,測試前應仔細檢查儀器的工作環境和性能狀態,及時清除污染物,定期校正儀器,并經常性地運行空白基線測試和標準物質測試來驗證儀器的性能指標,力求獲得準確可靠的測試數據。

References)

[1] GB/T6425-86 熱分析術語[S].北京:中國標準出版社,1986.

[2] 陳鏡泓李傳儒.熱分析及其應用[M].北京:科學出版社,1985.

[3] 劉振海,陸立明,唐遠旺.熱分析簡明教程[M].北京:科學出版社,2012.

[4] Matthias W.熱分析應用基礎[M].陸立明,譯.上海:東華大學出版社,2011.

[5] 劉振海,山立子. 分析化學手冊:第八分冊熱分析[M].北京:化學工業出版社,2000.

[6] 徐朝芬,孫學信,郭欣.熱重分析試驗中影響熱重曲線的主要因素分析[J].熱力發電, 2005(6):34-36

[7] 陳靈文. 影響熱重分析技術檢測的因素探討[J].河南化工,2003(1):21-22.

[8] 李普旺,鐘紅蓮,呂明哲,等. 影響熱重曲線的因素分析[J].熱帶農業工程,2004(2):13-15.

[9] 張遠方,陳佳. TG209F3熱重分析儀的故障分析與維護[J].分析儀器, 2013(5):55-58.

[10] 李建輝,徐宏坤,孫楓,等. TGA/SDTA851e熱重分析儀影響分析的因素及常見故障排除[J].分析儀器, 2014(4):108-110.

[11] 張建策. 熱分析實驗條件選擇對實驗結果的影響[J].化工技術與開發,2010,39(12):44-45.

[12] 章斐. 熱分析儀器的氣密性問題及檢漏方法[J].實驗技術與管理,2012,29(1):37-39.

[13] 美國TA儀器公司.SDT-Q600 Brochure[EB/OL].[2015-09-10].http://www.tainstruments.com/pdf/brochure/sdt.pdf.

[14] 宋鴻恩. 熱天平[M].北京:計量出版社,1985.

[15] 劉振海,徐國華,張洪林.熱分析儀器[M].北京:化學工業出版社,2006.

[16] 楚士晉.炸藥熱分析[M].北京:科學出版社,1994.

Interpretation of causing unusual thermogravimetric curve and its improvement method

Zhang Fei

(Analytical Instrumentation Center, Peking University, Beijing 100871, China)

The causes of unusual thermogravimetric (TG) curves recorded on TA SDT-Q600 weight and heat flow synchronism thermal analyzer were systematically studied in terms of instrument structure and analysis mechanism. It was found that many factors including the environmental vibration, purge gas turbulence, balance destabilization, inappropriate loading method as well as chemical and physical property of sample would influence the reliability of the results obtained. In order to guarantee accuracy and trustiness of TG, it is necessary to carefully analyze and check the origins of abnormal curves, and accordingly take efficient measures to actively prevent and reduce the effect of the above mentioned factors.

thermogravimetric curve； SDT-Q600； unusual curve； influence factor

DOI:10.16791/j.cnki.sjg.2016.04.010

2015- 09- 14修改日期:2015- 11- 12

章斐(1965—),女,浙江寧波,碩士,高級工程師,研究方向為實驗室管理及熱分析儀器測試技術.

E-mail:zhangfei@pku.edu.cn

O657.99

A

1002-4956(2016)4- 0032- 06

實驗技術與方法