學術干貨 | 熱重分析（TG）基本原理與實戰分析

TG的基本原理？

熱重分析（thermogravimetric analysis， TG或者TGA）是指在程序控溫條件下測量待測樣品的質量與溫度變化關系的一種熱分析技術，可以用來研究材料的熱穩定性和組分。

注：之所以定義為質量的變化而非重量變化是基于在磁場作用下，強磁性材料達到居里點時，雖無質量變化，卻有表觀失重。

圖一 熱重分析儀的圖示

TG可以做什么？

從其原理我們知道，TG分析的是溫度和樣品質量之間的關系，那么在溫度變化過程中，存在質量變化的反應，基本都能夠通過TG表現出來。在實際中這樣的反應包括：1）物理變化，如蒸發、升華、吸收、吸附和脫附等；2）化學反應，TG也可提供有關化學現象的信息，如化學吸附、脫溶劑(尤其是脫水)、分解和固相-氣相反應(如氧化或還原)等。

注：一般說來TG只能分析在溫度變化過程中存在質量變化的反應，但是實際中很多反應在溫度變化過程中是不存在質量變化的，比如相轉變(如石英的α向β相轉變)，玻璃態轉變等，此時可以結合DSC或DTA來進行分析(因為發生相轉變過程中存在吸/放熱)

具體來講TG主要用于這四個方面：

1）通過分析材料的分解模式來解析其特性；

2）研究材料的降解機制及反應動力學；

3）測定樣品中有機物的含量；

4）測定樣品中無機物的含量。

這些方法可以用來驗證材料的結構或者也可以對材料進行化學成分分析。其中TG技術在高分子材料中應用尤為廣泛如：熱塑性塑料、熱固性材料、人造橡膠、復合材料、塑料薄膜、纖維、涂料和油漆等。

TG的測試流程

圖二 TG測試常用流程圖

TG曲線實例分析

一、TG與DTA的聯用技術用于對反應過程分析

如下圖所示，研究者結合TG和DTA對α-MnO₂在高溫下的晶型轉變進行了探索。從圖三可以看出，400℃時出現第一次質量損失（1.9%），對應于分解水的脫去；在530℃下，出現第二次質量損失，對應于O₂的釋放，從而推測此處出現了α-MnO₂到方鐵錳礦相(Mn₂O₃)的轉變；870℃下的吸熱峰則對應于晶型向黑錳礦(Mn₃O₄)晶型轉變。

圖三 TG-DTA聯用^[1]

二、TG法用于確定樣品的熱處理溫度

圖四所示是一種利用空氣刻蝕技術對石墨烯基面造孔，從而引入微/介孔的實驗結果。該研究者利用TG測試技術（指圖中-●-線），但需要說明的是，此處只是利用6個不同溫度下條件下，保溫10小時后所剩石墨烯質量進行繪制圖形的結果，與一般意義上的程序控溫有些不同。根據圖四，發現在440℃左右開始出現大的質量損失，證明此處是石墨烯被空氣刻蝕開始的溫度，證明440℃下，既能夠保證石墨烯基面能夠被刻蝕，又不會出現石墨烯被完全燒掉的情況，保證了最終能夠得到具有基面微/介孔的石墨烯材料。

圖四 TG用于確定反應溫度^[2]

三、運用TG技術調查燃料的點火溫度和燃燒溫度

此處為對以竹子為固體燃料的測試。在不同升溫速率下，對其進行了熱重分析。由圖五可知，兩處不同的質量損失段分別對應于不同的反應。其中，在溫度為200-350℃為竹子中綜纖維素和木質素的燃燒分解所致，在溫度為350-500℃的質量損失則對應于所剩木質素和碳的燃燒。

圖五 利用TG進行分析燃料的點火溫度和燃燒溫度^[3]

此外，利用TG可以分析一些亞穩材料的熱穩定性。

本文由材料人編輯部學術組Carbon供稿，材料牛編輯整理。

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參考文獻

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