热失重分析仪介绍和影响测试的几种因素

何小蝶

摘 要 简要介绍了热分析的发展过程，作为热分析方法中的一种——热失重分析的应用、仪器构造和基本原理。并阐述了影响其分析测试的几种因素及解决方法

关键词 热失重分析仪;原理;影响因素

中图分类号：O6 文献标识码：A 文章编号：1671-7597（2014）22-0096-02

热分析技术是研究物质在加热或冷却过程中发生物理或者化学变化的技术。近年来，热分析方法迅猛发展，发展了很多测量仪器和方法，比如：差示扫描量热仪、差示热分析、热机械分析、动力机械热分析，热失重分析法等等。其中热重法是最早出现的，1786年Wedgnood在研究粘土时获得第一条热重曲线，1915年日本物理学家发明热重分析仪TG。随着科学的发展，热重分析仪在精度、自动化、信号高灵敏度、分辨力等方面取有很大的提高和改善，操作日益趋于方便，其应用也更加广泛。

1 热失重分析的应用

热失重分析是在程序控温下测量试样质量随着温度变化的一种方法。可测量样品质量的变化，比如增加或者减少，测定质量改变（增加或者减少）的温度。由于该技术具有需要质量少，试样不用前处理，不使用溶剂，结果易于分析等特点，在生产与科学研究各个方面广泛应用。是科学研究与发展必不可少的研究方法。广泛应用于高分子材料、无机材料、塑料、橡胶、食品等领域。用于研究材料的热稳定性、分解过程、材料成分的定量分析等。

1）热失重分析方法在各个领域的应用。

在高分子材料方面，人们主要用来研究材料的热稳定性，添加剂的稳定性，共聚物、共混物体系的定量分析，聚合物的热裂解以及热老化的研究等等。例如，在测试的过程当中，用不同的温度范围可以判断该材料是否在该温度范围内稳定;若知道该高分子材料中存在挥发物，可以将该材料使用高于挥发物沸点的温度下测试，那么就可以测定该高分子材料中的挥发物含量，利用热分析研究药物在受热过程当中的各种物理化学变化，如晶型转变、熔融、升华等等，从而对该药品进行熔点、沸点确定及纯度的检验。如，应用热失重分析法可以判断药物分子中是否含有结晶水和含有结晶水的个数，并且准确地判断水的成分是结晶水还是吸附水。根据范德霍夫方程，药品熔点的下降与杂质的质量分数成正比，通过熔融曲线变宽，可以判断熔点下降，是由于杂质的存在。采用热重分析法与差示扫描量热相结合的方法，能够准确地测出其纯度和熔点。

热分析技术也用于环境监测，比如测定环境中的各种变化，如废弃物的脱水、分解、降解等等。与其他技术结合测定空气中悬浮颗粒中碳元素和可溶、难溶有机物的总量等。

2）热失重分析与其他方法联用应用。

热失重分析方法跟其他热分析方法联用能够获得更为丰富的物理或者化学变化信息，近期发展起来的热失重分析与其他非热分析方法联用，应用更为广泛。比如，将热失重分析仪与质谱或者红外光谱仪联用，能够在线分析在温度变化过程中产生气体的性质，表征物质的种类。热失重分析仪与质谱联用，有很高的灵敏度，并能快速检测极少量物质，在线分析挥发性化合物。材料的研发与质量控制方面，可以用来分析化合物的分解（PVC的热解等）;在药物合成方面，在合成过程当中，会经常使用各种溶剂，而残留的溶剂会影响药物的性质，所以需要测定药物中残留的溶剂，确保他们的含量尽可能低。

2 热失重分析仪构造与基本原理

热失重分析仪是热分析仪器的一种，它主要由两部分组成：天平和加热炉。它的测量原理是给被测物质加温，然后记录被测物质质量随温度的变化，分析引起物质特性改变的温度点，以及被测物质在温度改变中吸收或者放出的能量，从而研究物质的性质。

根据天平与炉体的位置，可以将热失重分析仪分为三类，分别为上置式、悬挂式和水平式，如下结构见图。

图1 热失重分析仪的类型的结构简图

（箭头的方向为炉体的运动方向）

分析天平是很灵敏和要求精度的仪器，在天平与炉体之间有保护措施保护天平不受腐蚀性分解物的腐蚀和热量的热辐射。除去结构的保护，通常情况下，会增加一路保护气吹扫天平。

3 影响热失重分析仪分析测试的几种因素

1）升温速率的影响。

升温速率的选择影响测试结果，尤其是样品经历化学反应的情况下。例如，较高的升温速率能使反应移至较高的温度。这是由于传热的滞后造成的。当升温速率增加的时候，而传热又需要一定的时间，那么样品内部不能及时升温发生反应。因此在实际测试的过程中，要根据样品的物理、化学性质来确定。对于不了解化学性能的，一般采用较快的升温速率。一般较慢的升温速率有利于中间产物的分离鉴定和重叠反应的分辨。常用的升温速率是5-10℃/min。

2）坩埚的影响。

坩埚的选择要遵循不影响样品反应的原则。目前坩埚主要由以下几种材料组成，如陶瓷、铝、铂、石英、刚玉、玻璃等。他们的使用温度范围是不同的，导热也不一样。温度在500度以下的时，可以使用铝坩埚;超过500度以上，可以选择陶瓷或者铂坩埚等。因此在测试的时候要选择合适的坩埚。

3）样品填装与量。

样品填装与量影响热传导和逸出物的扩散。例如，试样在坩埚中的填装松紧程度会影响热分解气体向周围空间的扩散和试样与气氛的接触;对于非均匀样品或者质量变化很小的样品，需要加大样品量。总之在样品填装的时候，要注意以下几点：①保证试样内部的温度分布尽量均一;②保证试样与坩埚接触良好。

4）气体选择及流量的影响。

热失重分析通常是在静态或者动态气氛下操作的。是选择动态还是静态气氛，需要考虑产物是否受分压影响。静态氛围下，温度升高，反应速度加快，但是试样周围的气体会增加，分压升高，反应会移向高温;在动态氛围下，反应物不容易聚集，反应温度不会受分压的影响。另一方面，要保证气体流量的平衡，避免载体流动对天平造成波动。如果坩埚所处的空间密度对温度升高降低，浮力减小，表现为表观增重;如果气流往上，会引起浮力增大，表现为表观失重。

4 结论

热失重分析作为热分析方法的一种，具有在各个方面都有广泛的应用。例如通过曲线的台阶计算或者同步DSC或者同步DTA，可以得出材料或者化学物的热稳定性、分解、反应性气体的影响、所含水份、吸附/解吸附过程、蒸发行为等。

在测试分析的过程中，有很多因素会影响热分析测试的结果。为避免一些影响因素，保证实验结果有很好的重复性、重现性和可比性，事先确定统一的实验条件进行实验，发现这些因素影响的大小及规律，有效避免。同时，也需要甄别一些假象因素，力求得出最真实的结果。例如，在加热时，由于气体氛围随着温度的升高，密度下降，产生浮力效应，导致表观质量的增加。通常浮力效应是可以通过扣除空白曲线来解决。其次在测试的过程当中，样品突然伴随生成的气体喷出也会造成质量的突然减少。这个可以通过添加坩埚盖来解决;再者，气体的流速的不稳定也会造成曲线的增重或者减重，所以在测试过程当中，要保证气体流速的稳定性。

参考文献

[1]陆立明译.热分析应用基础[M].华东大学出版社.

[2]刘振海，徐国华，张洪林，等.热分析与量热仪及其应用[M].化学工业出版社.endprint