热重分析应该怎么用？

        热重分析（TG或TGA）是指在程序控制温度下测量待测样品质量与温度变化之间关系的一种热分析技术，用于研究材料的热稳定性和成分。值得一提的是，质量变化而不是重量变化的定义是基于这样一个事实，即在磁场的作用下，当铁磁材料达到居里点时，虽然没有质量变化，但有明显的失重现象。 TGA是研发和质量控制中常用的测试方法。热重分析在实际材料分析中常与其他分析方法结合使用，进行综合热分析，全面准确地分析材料。图1 Thermogravimetric Analyzer 3D图 热重分析概述 热分析是一种在程控温度下测量物质物理性质与温度关系的技术。热重分析法、差热分析法和差示扫描量热法是应用*泛的热分析技术。图 2. 国际热分析协会 ICTA 对热分析技术热重曲线（TG 曲线）的分类：纵坐标为质量，横坐标为温度或时间，因为 TG 曲线有两种类型： 等温（静态）热重 记录质量变化在恒温下；非等温（动态）热重温度程序温度记录记录质量变化。图 3 TG 曲线导数热重曲线（DTG 曲线）：TG 曲线相对于温度（或时间）的一阶导数 图 4 TG 和 DTG 曲线热重和导数热重曲线分析：AB 段：热重基线； B点：Ti起始温度； C点：Tf结束温度； D点：Te外推起始温度，外推基线与TG线zui大斜率切线的交点。 DTG曲线的优点：更准确地反映初始反应温度Ti、zui 大反应速率温度Te和Tf；更清楚地区分连续的热重反应，DTG比TG具有更高的分辨率；更方便计算反应动力学 提供反应速率数据（dm/dt）。影响热重测定结果的因素 2.1 仪器因素 升温速率：升温速率越大，热滞后越严重，导致热重曲线上的起始温度和终止温度越高。虽然分解温度随升温速率而变化，但失重保持不变；升温速率块不利于中间产品的检测，因为TG曲线上的拐点变得不显着；升温速度一般为0.5-6℃。炉内气氛：为了获得可重现的实验结果因此，动态气氛通常在严格控制的条件下使用。 2.2 样品因素 样品用量：样品量越大，反应产生的气体的扩散阻力越大，样品本身的温度梯度也越大，因此在灵敏度范围内样品量应尽可能小热重分析仪。样品粒径：粒径会引起气体产物扩散过程的较大变化。粒径越小，反应速度越快，反应间隔越窄。还会降低热分解温度，使分解反应更加*。热重分析的应用及实例分析 材料成分的测定 材料成分的热重测定极其方便，材料特别是聚合物的含量、碳含量和灰分含量可以通过TG曲线确定。图 5. 聚四氟乙烯与乙缩醛共聚物的热重曲线利用共混物各组分分解温度的差异来确定共混物各组分的含量。材料中挥发性物质的测定 图 6. PVC 中增塑剂 DOP 含量的测定。天然纤维热分解动力学的动态热重分析 [1] 动态热重分析可用于研究聚合物复合材料行业常用的 10 种天然材料 纤维的热分解过程用于确定这些纤维的表观活化能.由于是木质纤维素材料，所选天然纤维的热分解过程具有相似的TG和DTG曲线。这些曲线都有明显的DTG峰（纤维素）和高温拖尾（木质素），在一些纤维分解曲线中还可以看到低温肩峰。所有选定的天然纤维的特性表明，主要的热分解（60% 质量分数）发生在大约 100°C 的温度范围内。失重分数是由所研究纤维的固有性质引起的，不受加热速率的影响，其主要分解范围与一些热塑性塑料的加工温度重叠。计算结果表明，在整个聚合物加工温度范围内，大多数所选纤维的表观活化能为160℃170kJ/mol。图 7 天然纤维在 2℃/min 升温速率下的整体热重分解过程。高岭土热分解过程的热重-质谱分析 [2] 高岭土是一种相对纯净的粘土，特别是在工业上用作造纸填料、橡胶填料和油漆颜料有着广泛的应用。我国大部分工业高岭土通常都含有一定量的有机碳，必须经过煅烧才能提高白度。在工业应用中，热稳定性和白度对煅烧高岭土很重要。这是非常重要的性能。太对了高岭土的热稳定性及其在高温下的相变和微观结构演变的研究也很重要。热重分析可以确定高岭土的质量损失步骤、质量损失温度和质量损失机制。热重法和质谱法的结合可以进一步提供高岭土的组成。图 8. 各类高岭土的 SEM 图片。本研究表明，热分解主要发生在三个步骤：（a）100℃以下的水解吸，（b）225℃左右的脱水和（c）450℃左右的脱羟基作用。由于高岭土中方解石杂质的分解，在710℃的温度下也发现脱碳。高岭石的脱羟基温度受高岭石结构无序程度的影响，由于杂质的数量和种类不同，分解过程中产生气体的可能性有很多。质谱分析表明，在高岭石样品中，方解石杂质和有机碳的层间碳酸盐以 CO2 的形式在 225、350 和 710 ℃ 左右释放。图 9. 高岭土的 TGA 曲线热重分析以确定氧化物的表面羟基密度 [3] 所有金属和准金属氧化物的表面都不同程度地被羟基或离子覆盖。它们在氧化物表面的吸附过程中起作用。起着重要的作用。全羟基化二氧化硅含有4.6 OH/nm2，与二氧化硅的种类和结构特性无关，被视为一个物理化学常数。对于二氧化硅，降低OH的表面密度可以改善二氧化硅粒子的流动特性、在有机介质中的分散性以及与有机材料的结合，降低触变性；对于二氧化钛，预计 OH 的表面密度与光催化活性有关。红外热重分析可用于确定粉末的 OH 表面密度。仅通过红外光谱很难区分吸附的水和实际的表面羟基。 Kellum 和 Smith 使用 TGA 和改良的卡尔费休试剂 (MKFR) 滴定法分析各种二氧化硅粉末，以区分粉末样品中的物理吸附水。化学结合水。物理吸附水由 MKFR 程序确定，而 TGA 用于检测物理吸附和化学结合水的总重量损失。因此，化学结合水的量和随后的 OH 表面密度是通过从总重量损失中减去物理吸附的水量来确定的。图 10. 气相法纯二氧化硅（虚线）和二氧化硅碳（细实线）粉末的归一化重量、TGA 曲线（虚线）和 CO 释放量2 棕榈油废料热解过程的浓度热重-傅里叶变换红外联合分析[4] 棕榈油废料含有50%的碳、7%的氢和适量的灰分。这些废物的低热值 (LHV) 为 20 MJ/kg，是生产生物燃料的理想能源。这项研究发现，这些废物很容易分解。在缓慢的加热速率下，大部分废物从 220°C 到 340°C 热分解。热解过程可分为四个阶段：水分蒸发、半纤维素分解、纤维素分解和木质素降解。动力学分析表明，棕榈油废料的活化能为60 kJ/mol。当加热速率从0.1℃/min提高到100℃/min时，分解过程会延长，zui大质量损失率会降低。本文的重点是利用热重分析-傅里叶变换红外 (TGA-FTIR) 集成系统光谱来识别棕榈油废料热解过程中产生的主要气体产物及其实时释放特征。图 11. 热重分析 - 傅立叶变换红外光谱 (TGA-FTIR) 分析从纤维废料的热解中获得的红外叠加图。该基础研究为棕榈油废弃物热解提供了基础理论基础，有利于开发棕榈油废弃物高产燃料热工艺。