热重分析
热重分析法
热重分析法热重分析法（Thermogravimetric Analysis，简称TGA）是一种热分析技术，通过对样品在升温过程中的质量变化进行监测和分析，以了解样品的热稳定性、分解特性等信息。
本文将介绍热重分析法的原理、仪器设备、应用领域以及未来的发展趋势。
热重分析法是在恒定加热速率下，通过记录样品重量随温度或时间的变化，来研究样品的热衰减、热失重等热性能。
这种分析方法可以对各种材料进行测试，如聚合物、陶瓷、金属等。
它可以用于研究材料的热稳定性、热分解过程、腐蚀、氧化等热化学性质，并可以对化学反应、降解行为等进行动态监测。
热重分析法的仪器设备主要由称量装置、升温装置、传感器、数据采集和处理系统等组成。
在测试过程中，样品一般以小颗粒、薄片或粉末的形式存在，称量时要求准确并保持恒定性。
样品装入称量器后，通过升温装置以控制加热速率，并通过传感器可以实时监测样品重量的变化。
数据采集和处理系统可以将监测到的重量变化转化为曲线图或数字数据，进一步进行分析和解释。
热重分析法在许多领域有广泛的应用。
在研究材料的热稳定性方面，可以用于评估聚合物材料的耐高温性能，为材料选择、设计和改性提供依据。
在研究催化剂的活性和稳定性时，可以通过热重分析法来研究其在高温下的热失重和活性损失情况。
此外，热重分析法还可以用于纺织品的研究、煤炭和石油产品的分析、药物的稳定性研究等。
在未来，热重分析法有望得到进一步发展和广泛应用。
随着材料科学和工程技术的不断进步，对材料热性能的研究需求日益增加。
新的测试方法和装置将不断涌现，以满足更多领域对材料热性能测量的需求。
同时，热重分析法也将与其他热分析技术结合，如差热分析（Differential Scanning Calorimetry，简称DSC）、热导率测试等，以获取更准确、全面的热性能数据。
总之，热重分析法作为一种重要的热分析技术，具有广泛的应用前景和重要的科学意义。
通过研究样品在升温过程中的质量变化，可以了解材料的热稳定性、热分解特性等重要信息。
热重分析
100
1.5 80
1.0
Weight (%)
60
40
失重速率用正值表示
0.5
20 0.0 0
-20 400
450Leabharlann 500550600
-0.5 650
Universal V4.2E TA Instruments
Temperature (°C)
TG曲线与DTG 曲线
Deriv. Weight (%/°C)
它表示质量随时间的变化率（失 重速率）与温度（或时间）的关系。
微商热重曲线（DTG）曲线与热重 曲线的对应关系是： ������ 微商曲线上的峰顶点为失重速率 最大值点，与热重曲线的拐点相对应。
微商热重曲线上的峰数与热重曲线的台
阶数相等，微商热重曲线峰面积则与失
重量成正比。
120
TG TG曲线
DTG 2.0
60
40
20
C
0
D
Tef
Ti
500 550 600
-20 450
Temperature (°C)
Tf
650
T
TG 曲线的外推温度
特征分解温度 没有固定的统一的规定，而是多种 多样：
① 将外推起始温度作为特征分解温度
② 最大失重速率温度
③其它
2、 热重仪
热天平 亦即热重仪。在程序温度下，连 续称量试样的仪器。 热天平的结构类型 上皿式 立式 卧式 下吊式
（1）浮力的影响������ （2）试样盘（坩埚） ������ （3）挥发物的冷凝影响 ������（4）温度测量和标定影响
������
（5）仪器的灵敏度
实验条件的影响������
热重分析
–11.0
200 Ti 400 500 Tf 700
T(K)
DTG曲线上出现的峰指示质量发生变化，峰的面积与试样的 质量变化成正比，峰顶与失重变化速率最大处相对应。
3、试样制备方法
热重分析前天平校正。 试样预磨，100－300目筛（0.04-0.15mm） ，
干燥、称量。 装填方法同DTA法。 选择合适的升温速率。
——粒度细，反应速率快，反应起 始和终止温度降低，反应区间变 窄。粒度粗则反应较慢，反应滞 后。
——装填紧密，试样颗粒间接触 好，利于热传导，但不利于扩散
或气体。要求装填薄而均匀，
热重法的应用
无机物及有机物的脱水和 吸湿；
无机物及有机物的聚合与 分解；
矿物的燃烧和冶炼；
金属及其氧化物的氧化与 还原；
DTA-TG、DSC-TG、DSC-TG-DTG、DTA-TMA、DTA-TGTMA 联用 与气相色谱、质谱、红外光谱等的联用
新型热分析技术
高压DTA、DSC技术 微分DTA技术
综合热分析技术
利用DTA、DSC、TG、热膨胀 等热分析技术的联用，获取更 多的热分析信息。
多种分析技术集中在一个仪器 上，方便使用，减少误差。
高岭石： 500收缩 600脱结构水 1000析晶
水云母 100脱吸附水 500脱结构水 500后略膨胀 900脱结构水
析晶
16
综合热分析仪上做的TG-DSC曲线
17
4
4、影响TG曲线的因素 （1）浮力及对流的影响
——浮力和对流引起热重曲线 的基线漂移 ——浮力影响：573K时浮力约 为常温的1/2，1173K时为1/4 左右。 ——热天平内外温差造成的对 流会影响称量的精确度。 ——解决方案：空白曲线 、热 屏板 、冷却水等。
热重分析
热分析中的联用技术 单一的热分析技术，如 TG 、 DTA 或 DSC 等， 难以明确表征和解释物质的受热行为。 如： TG 只能反映物质受热过程中质量的变化， 而其它性质，如热学等性质就无法得知有无变 化和变化的情况。 TG-DSC
应用最广泛，可以在程序控温下，同时得
到物质在质量与焓值两方面的变化情况。
DSC峰面积
选用标准物质的转变温度应与被测试样所测定的热效 应温度范围接近，且校正所选用的仪器及操作条件都
应与试样测定时完全一致。
DSC的应用
涉及热效应的物理变化或化学变化过程均可采用 DSC来进行测定。 峰的位置、形状、峰的数目与物质的性质有关， 故可用来定性的表征和鉴定物质。 而峰的面积可以用来定量计算参与反应的物质的 量或者测定热化学参数。
粒度、装填情况等（大颗粒热阻较大，使试样熔
融温度和熔融热焓偏低）。
温度校正（横坐标校正） 正（纵坐标校正）
用已知转变热焓的标准物质（通常用 In 、 Sn 、 Pb、 Zn等金属）测定出仪器常数或校正系数 K。
质量
标准物质的 转变热焓
热分析技术
热分析技术的定义
• 在程序控制温度下测量物质的物理性质与温度关 系的一类技术。
热重分析（TG）
• 程序控温下，测量物质质量与温度关系的方法
热重法实验得到的曲线称为热重曲线（TG曲线）。
差示扫描量热分析（DSC）
• 在程序控温下，测量输给试样和参比物
的功率差随温度或时间变化的一种技术 对试样产生的热效应 及时得到补偿，使试 样与参比物之间无温 差、无热交换。 试样升温速度始终跟随炉 温线性升温，保证了校正 系数Ｋ值恒定。测量灵敏 度和精度大有提高。
主要优点：
热重分析
质量分数(%) 一阶导数(%/min)
100 A 80
60
40
20
0 0 100
1.0 BG
–1.0
–3.0
–5.0
–7.0
–9.0
C
Tp
H
–11.0
200 Ti 400 500 Tf 700
T(K)
反应起始温度Ti和反应终了温度Tf之间的温度区间称反应区间。 亦可将G点取作Ti或以失重达到某一预定值(5%、10%等)时的 温度作为Ti，将H点取作Tf。Tp表示最大失重速率温度，对应 DTG曲线的峰顶温度。
传统热重仪器温度校正方法
外加温度校正附件 永磁铁 磁性标准物质，例如Ni 炉体
传统热重仪器温度校正方法
标准物质在居里点处由铁磁体变为顺磁体， TG信号表现为增重。
样品表观重量＝样品实际重量－样品被磁铁吸引的力
温度校正精度 >2℃
热天平可采用不同居里温度的 强磁体来标定。标定时在热天 平外加一磁场，坩埚中放入标 准磁性物质。磁性物质的居里 点是金属从铁磁性向顺磁性相 转变的温度，在居里点产生表 观失重。
质量分数(%) 一阶导数(%/min)
100 A 80
60
40
20
0 0 100
1.0 BG
–1.0
–3.0
–5.0
–7.0
–9.0
C
Tp
H
–11.0
200 Ti 400 500 Tf 700
T(K)
TG曲线上质量基本不变的部分称为平台，两平台之间的部 分称为台阶。B点所对应的温度Ti是指累积质量变化达到能 被热天平检测出的温度，称之为反应起始温度。C点所对应 的温度Tf是指累积质量变化达到最大的温度(TG已检测不出 质量的继续变化)，称之为反应终了温度。
热重分析
7
注意事项：
（1）打开仪器外壳或更换保险丝时，断开TGA的电源，移开电
源线。
（2）绝不要充入可能会引起爆炸的混合性气体，不要使用可燃 性气体或有爆炸性的混合气体作为吹扫气体，否则可能会发生爆 炸。
（3）当炉子温度高于300º C时，绝不要关闭恒温水浴槽，否则 仪器的冷却会就此关闭，测量单元的四周会变热而无法控制。
热重分析
顾晶晶
LOREM IPSUM DOLOR
1.热重基本知识 2.热重曲线及其影响因素 3.热重分析在催化中的应用 4.热重分析联用技术
2
1.热重基本知识
Q1.什么是热重分析？ 热重分析（Thermogravimetric Analysis，TG或TGA）， 是指在程序控制温度下测量待测样品的质量与温度变化 关系的一种热分析技术，用来研究材料的热稳定性和组 份。
20
End
Thank you
21
8
（4）绝不要触碰炉体、炉盖或刚从炉体中取出的样品。
（5）如果测量的是会分解出有毒气体的物质，那么将 测量单元放置在通风橱内。
（6）通过气体出口活塞有控制的排除所有反应气体， 为了合理的排放气体，可以接一段长度适中的管子。
9
2.热重曲线及其影响因素
当几个效应接连发 生，部分重叠，平 台不容易确定时， DTG曲线较TG更清 晰
调整安装在天平系统和磁场中线圈的电流，使线圈转动
恢复天平梁的倾斜，即所谓零位法。
6
Q4.使用热重仪的步骤以及注意事项？ 步骤：称取适当重量样品于坩埚中 打开盖子 - 装入样品坩埚 - 关上盖子 在软件中设定温度程序与气氛等条件，初始化工作条件， 如气体流量、抽真空等
热重分析
第三节 热重分析（TG ）一、基本原理热重法是在程序控温下，测量物质的质量随温度(或时间)的变化关系的一种技术，简称TG 。
如熔融、结晶和玻璃化转变之类的热行为，试样确无质量变化，而分解、升华、还原、解吸附、吸附、蒸发等伴有质量改变的热变化可用TG 来测。
如果在程序升温的条件下不断记录试样的重量的变化，即可得到TG 曲线。
如图1所示。
一般可以观察到二到三个台阶，第一个失重台阶W 0—W 2多数发生在100℃以下，这多半是由于试样的吸附水或试样内残留的溶剂挥发所致。
第二个台阶往往是试样内添加的小分子助剂，如高聚物增塑剂、抗老剂和其他助剂的挥发（如纯物质试样则无此部分）。
第三个台阶发生在高温是属于试样本体的分解。
为了清楚地观察到每阶段失重最快的温度。
经常用微分热重曲线DTG （如图1b ）。
这种/dW dt 曲线可以利用电子微分电路在绘制TG 曲线的同时绘出。
对于分解不完全的物质常常留下残留物W R 。
在某种特殊的情况下还会发生增重现象，这可能是物质与环境气体（如空气中的氧）进行了反应所致。
另外目前又出现了一种等温TG 曲线。
这是在某一定温度条件下，观察试样的重量随时间的变化，所以又称“等温热失重法”即：W=f （t ）（温度为定值）W 0 W 1 W 2 W 3重量图1 热重分析曲线（a ）与微商热重曲线（b ）炉子它能提供很多有用的信息，如在某温度下物体的分解速度或某成分的挥发速度等。
二、基本结构热重法的仪器称为热天平，给出的曲线为热重曲线。
热重曲线以时间t 或炉温T 为横坐标，以试样的质量变化（损失）为纵坐标。
热天平的基本单元是微量天平、炉子、温度程序器、气氛控制器以及同时记录这些输出的仪器。
热天平的示意图如图2-1所示。
通常是先由计算机存储一系列质量和温度与时间关系的数据完成测量后，再由时间转换成温度。
三、影响因素虽然由于技术的进步，在设计TG 仪器时进行了周密的考虑，尽量减少各种因素的影响，但是客观上这些因素还不同程度在存在着，为了数据的可靠性，有必要分述如下：1.坩埚的影响坩埚是用来盛装试样的，坩埚具有各种尺寸、形状并由不同材质制成。
第2章热重分析技术TGA(DTG)
汇报人：XX
contents
目录
• 热重分析技术概述 • TGA(DTG)技术介绍 • 热重分析实验方法与步骤 • 热重曲线解析及参数计算 • 热重分析技术在材料科学中应用案例 • 热重分析技术发展趋势与挑战
01
热重分析技术概述
热重分析技术定义
热重分析技术原理
热重分析技术应用领域
化学工程
用于研究化学反应的动力学过 程、催化剂的活性评价、反应 机理的探讨等。
生物医药
用于研究药物的稳定性、生物 大分子的热变性、生物组织的 热损伤等。
材料科学
用于研究材料的热稳定性、热 分解、相变等过程，以及材料 的组成和结构对性能的影响。
环境科学
用于研究大气污染物的来源和 转化过程、固体废弃物的热解 和焚烧过程等。
金属材料氧化过程分析
氧化过程定义
金属材料在加热过程中与氧气反 应形成氧化物的过程。
TGA(DTG)应用
通过TGA(DTG)技术可以分析金属 材料的氧化过程。例如，可以测 定金属在程序升温下的质量变化 和氧化速率，进而评估其抗氧化 性能。
案例分析
以钢铁为例，通过TGA(DTG)测试 ，可以研究其在加热过程中的氧 化行为，为钢铁材料的防腐蚀和 表面处理技术提供指导。
多种气氛可选
TGA(DTG)实验可在不同气 氛（如空气、氧气、氮气等 ）中进行，以模拟不同环境 下的物质变化过程。
定量分析
通过对热重曲线的分析，可 以定量计算样品中各组分的 含量，为物质组成分析提供 依据。
TGA(DTG)技术应用范围
材料科学
用于研究材料的热稳定性、热分解过程 、氧化还原反应等，为材料设计和性能
高分子材料热稳定性评价
热重分析
终点温度法 求出材料结束失重的温度Tf，Tf越高，热稳定性越好
最大失重速率法 在TG曲线的微分曲线上求出峰顶温度
余重法 求出材料分解后剩余的固体重量百分数，更用于评定材料的耐 烧蚀性
半分解温度法 材料在真空中加热30min重量损失一半的温度，也称为材料的半 寿命
七、热重分析应用举例
Weight loss(wt%, daf) Rate of weight loss (%/s)
4.1 仪器因素的影响
4.1.1 气体浮力的影响
测得的重量 = 样品重量 - 气体浮力 气体的密度与温度有关，随温度的升高，试样周围的气体的密度 发生变化，从而气体的浮力也发生变化： 300C时气体浮力为常温时的1/2； 900C时浮力降为1/4
结果：试样质量不变时，随温度升高，试样增重——表观增重
1.成份分析：无机物、有机物、药物和高聚物的鉴别和分 析以及它们的相图研究；
2.稳定性测定：物质的热稳定性、抗氧化性能的测定等；
3.化学反应的研究：比如固-气反应研究、催化性能测定、 反应动力学研究、反应热测定、相变和结晶过程研究；
4.材料质量测定：如纯度测定、物质的玻璃化转变和居里 点、材料的使用寿命测定；
A：起始分解温度 B：外延起始温度 C：外延终止温度 D：终止温度 E：分解5%的温度 F：分解10%的温度 G：分解50%的温度 （半寿温度）
TG曲线关键温度表示法
TG曲线失重量表示法
100 m/%
50
A:99.5%
B:50% C:50% D:24.5%
A点至B点温度失重率: C点至D点温度失重率:
热重分析仪(TGA)
主要内容：
一、 热分析的发展简史
公元前600年～18世纪 与热有关的相转变现象的早期历 史阶段；
第7章 热重分析法
Temperature / °C
将该样品在真空下进行测试，由于增塑剂沸点的降低，挥发温度与橡胶 分解温度拉开距离，得到了更准确的增塑剂质量百分比：13.10%。
复杂气流控制下的热重分析（TG）
通过改变测试气氛（真空－氮气－空气）， 有助于深入剖析材料成分。
7.3.5 研究聚合物的降解反应动力学
动力学基本原理
10
5
0
20
Kinetic Analysis of Vulcameter Data
A 1>B
150.0 °C 160.0 °C 170.0 °C 180.0 °C
40
60
80
100
120
Time/min
可采用动力学软件分析恒温下的扭矩测量数据
反应类型: A B
反应物 A 的浓度
Arrhenf(a)
exp EA RT
前置因子
f(x) – 反应类型
动力学软件 Kinetics 反应机理
简单反应（单步） A
B
A
B
C
复杂反应（多步）
A
B
A
2
C
B B
A
B
C
D
A
B
连串反应, f 竞争反应, c 平行反应, p
DTG % / min
Sample:
NR/SBR
Sample mass: 20.64 mg
Crucible:
Pt open
Heating rate: 20 K/min
Atmosphere: VACUUM
天然橡胶 NR mass loss: - 36.97 %
丁苯橡胶 SBR mass loss: - 10.33 %
热重分析法(TG)
硕研09-6 隋鹏
精品课件
一、热重分析的定义
热重法（TG）又称热失重法，是在程序控
温下，测量物质的质量随温度（或时间）
的变化关系的一种热分析技术。用数学表达
பைடு நூலகம்
式为：
WfT或 t
热重法通常有动态（升温）和静态（恒温） 之分，但通常是在等速升温条件下进行。
精品课件
二、热重法的原理
精品课件
四、影响TG数据的因素
仪器因素
a、震动 ； b、挥发物的冷凝 ； c、浮 力 。
实验条件
a、 样品状况； b、试样皿； c、气氛种类； d、升温速率。
精品课件
五、热重分析法的应用 聚合物热稳定性的评价 组成的剖析
a 添加剂的分析 b 共聚物和共混物的分析 用热重法研究聚合物固化
10.9
0.3
14.9
10.2
14.6
0.3
27.1
18.9
27.1
0.0
31.1
21.7
31.1
0.0
精品课件
The End
谢谢观看
精品课件
精品课件
在比较热稳定性时，除了失重的温度外，还需 比较失重速率
精品课件
乙烯-乙酸乙烯酯共聚物的TG曲线
精品课件
EVA的TG和化学分析结果的比较
乙酸乙烯 乙酸的失重 乙酸乙烯 绝对偏差 (%，化学 （％，TG） （％，TG） （%）
分析)
4.3
3.2
4.6
0.3
8.3
5.8
8.3
0.0
11.2
7.6
精品课件
六、 TG曲线的处理和计算
TG曲线关键温度表 示法 ：
热重分析
热重分析热重分析是一种广泛应用于材料科学、化学工程和环境科学等领域的热分析技术。
通过对样品在不同温度下的质量变化进行监测和分析，可以揭示样品中的物质转化、热力学性质和热稳定性等重要信息。
本文将对热重分析的原理、应用和发展进行详细介绍。
热重分析的原理主要基于样品在受热过程中的质量变化。
一般来说，通过将样品放置在称量盘上，将其与热源相连，并控制升温速率和持续时间，可以使样品受到控制的加热。
在样品受热的过程中，会发生物理或化学反应，从而引起质量的变化。
通过实时监测和记录样品质量的变化，并将其与温度进行关联，可以得到温度对样品的影响，从而揭示样品的热力学性质和热稳定性等重要信息。
热重分析可以用于研究各种材料的性质和行为。
在材料科学领域，它被广泛应用于研究聚合物、纤维材料、金属合金等的热分解、热稳定性、热膨胀等性质。
例如，对于聚合物材料，热重分析可以帮助研究其热分解温度、热分解动力学行为和热稳定性。
通过热重分析，可以确定聚合物在高温下的稳定性，为聚合物材料的应用提供重要的参考依据。
此外，在生物医学领域，热重分析也可以用于研究生物材料的热降解行为和热稳定性，为生物医用材料的开发和应用提供重要的科学依据。
除了材料科学领域，热重分析还被广泛应用于化学工程和环境科学等领域。
在化学工程领域，热重分析常用于研究化学反应的热力学性质，如反应动力学、反应焓等参数。
通过热重分析，可以确定反应的放热或吸热性质，从而优化反应条件，提高反应效率。
在环境科学领域，热重分析可以用于研究污染物的热分解和挥发特性，从而评估污染物的热稳定性和对环境的影响。
近年来，随着科学技术的不断进步，热重分析也在不断发展。
传统的热重分析已经逐渐发展为多种衍生技术，如热差热重分析、差示扫描量热法等。
这些技术通过进一步改善样品的状态、增强信号的灵敏度和分辨率，提高了热重分析的能力和应用范围。
此外，结合其他分析技术，如质谱、红外光谱等，也可以进一步丰富热重分析的信息。
热重分析
第三节热重分析（TG）、基本原理热重法是在程序控温下，测量物质的质量随温度（或时间）的变化关系的一种技术，简称TG如熔融、结晶和玻璃化转变之类的热行为，试样确无质量变化，而分解、升华、还原、解吸附、吸附、蒸发等伴有质量改变的热变化可用TG来测。
如果在程序升温的条件下不断记录试样的重量的变化，即可得到TG曲线。
图1热重分析曲线（a）与微商热重曲线（b）如图1所示。
一般可以观察到二到三个台阶，第一个失重台阶W—W多数发生在100C以下，这多半是由于试样的吸附水或试样内残留的溶剂挥发所致。
第二个台阶往往是试样内添加的小分子助剂，如高聚物增塑剂、抗老剂和其他助剂的挥发（如纯物质试样则无此部分）。
第三个台阶发生在高温是属于试样本体的分解。
为了清楚地观察到每阶段失重最快的温度。
经常用微分热重曲线DTG（如图1b）。
这种dW/dt曲线可以利用电子微分电路在绘制TG曲线的同时绘出。
对于分解不完全的物质常常留下残留物W。
在某种特殊的情况下还会发生增重现象，这可能是物质与环境气体（如空气中的氧）进行了反应所致。
另外目前又出现了一种等温TG曲线。
这是在某一定温度条件下，观察试样的重量随时间的变化，所以又称“等温热失重法”即：W= （t）（温度为定值）它能提供很多有用的信息，如在某温度下物体的分解速度或某成分的挥发 速度等。
二、基本结构热重法的仪器称为热天平，给出的曲线为热重曲线。
热重曲线以时间t 或炉温T 为横坐标，以试样的质量变化（损失）为纵坐标。
热天平的基本单元是 微量天平、炉子、温度程序器、气氛控制器以及同时记录这些输出的仪器。
热 天平的示 通常是先 质量和温 完成测量 温度。
三、影 虽然由于技术的进步，在设计TG 仪器时进行了周密的考虑， 尽量减少各种 因素的影响，但是客观上这些因素还不同程度在存在着，为了数据的可靠性， 有必要分述如下：1•坩埚的影响坩埚是用来盛装试样的，坩埚具有各种尺寸、形状并由不同材质制成。
热重分析法
h
9
热重法的典型应用
无机物及有机物的脱水 和吸湿
无机物及有机物的聚合 与分解
矿物的燃烧和冶炼
金属及其氧化物的氧化 与还原
物质组成与化合物组分 的测定
煤、石油、木材的热稳 定性
金属的腐蚀
物料的干燥及残渣分析
升华过程 液体的蒸馏和汽化 吸附和解吸 催化活性研究 固态反应 爆炸材料(含能材料)研究 反应动力学研究，反应机
DTG比TG分辨率更高 DTG曲线峰的面积精确对应着变化了的样品重
量，较TG能更精确地进行定量分析 能方便地为反应动力学计算提供反应速率
（dw/dt）数据 DTG与DTA/DSC具有可比性，通过比较，能
判断出是重量变化引起的峰还是热量变化引起 的峰。TG对此无能为力
h
6
DTG与DTA/DSC曲线具有可比性 DTA/DSC的信息要比DTG多一些
热重法通常称热重分析（TGA），记录的曲线称为热重曲
线或TG曲线，不能叫作热谱图（Thermogram）。
热重法不能称为热失重！TG曲线一般不称TGA曲线
h
2
微商热重法（DTG，Derivative Thermogravimetric Analysis ）
实验所得的TG曲线对温度或时间的微分可得到一阶微商曲线 DTG和二阶微商曲线DDTG 目前使用最多的是一阶导数，即质量变化速率，作为温度或时间 的函数被连续地记录下来，也即
热惯性与加热速率和 炉子体积有关
h
16
实验容器--坩埚 铝坩埚一般不用于TGA实验！
h
17
支架—吊篮
h
18
上皿式（样品在上部）
避免了下皿式天平的缺点 优点：更换样品容易
样品室更换容易 样品放置稳固 缺点：结构设计复杂 需用较大质量的平衡锤来避免试 样支持器的倾倒 由于天平总负荷的增大，限制了 天平测量灵敏度和精度的提高 浮力效应（减基线）
热重分析误差分析
• 工艺优化：根据误差校正后的热重分析结果，优化材料的热处 理工艺和热设计
• 质量控制：通过误差校正后的热重分析结果，更有效地监控材 料在生产过程中的质量变化
05
热重分析误差分析的未来发展趋势
热重分析误差分析的 理论研究
• 热重分析误差分析的理论研究将不断深化，提高误差分析的准确 性和可靠性
CREATE TOGETHER
SMART CREATE
热重分析误差分析
01
热重分析基本原理及方法
热重分析的定义与目的
热重分析（TGA）是一种热分析方法
• 用于研究材料在加热过程中质量、温度和时间的关系 • 通过测量样品在加热过程中的质量变化来获得材料的热 性能信息
热重分析的目的
• 评估材料的热稳定性和热分解行为 • 确定材料的热降解动力学和热力学参数 • 为材料的热处理工艺和热设计提供依据
02
热重分析误差来源及分类
热重分析误差的来源
• 热重分析误差的来源主要包括仪器误差、样品误差和操作误差 • 仪器误差：由于热重分析仪的性能、测量精度等因素导致的误 差 • 样品误差：由于样品的制备、处理、性质等因素导致的误差 • 操作误差：由于实验操作、数据处理等因素导致的误差
热重分析误差的分类
热重分析误差控制的 实际应用
• 热重分析误差控制的实际应用包括材料性能评估、工艺优化和质 量控制
• 材料性能评估：通过热重分析，评估材料的热稳定性、热分解 行为等性能
• 工艺优化：根据热重分析结果，优化材料的热处理工艺和热设 计
• 质量控制：通过热重分析，监控材料在生产过程中的质量变化
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热重分析
热重分析热重分析（Thermogravimetric Analysis，TG或TGA），是指在程序控制温度下测量待测样品的质量与温度变化关系的一种热分析技术，用来研究材料的热稳定性和组份。
TGA 在研发和质量控制方面都是比较常用的检测手段。
热重分析在实际的材料分析中经常与其他分析方法连用，进行综合热分析，全面准确分析材料。
基本概念根据根据国际热分析协会（International Confederation for Thermal Analysis，缩写ICTA）的定义，热重分析指的是在温度程序控制下，测量物质质量与温度之间的关系的技术。
这里值得一提的是，定义为质量的变化而不是重量变化是基于在磁场作用下，强磁性材料当达到居里点时，虽然无质量变化，却有表观失重。
而热重分析则指观测试样在受热过程中实质上的质量变化。
热重分析所用的仪器是热天平，它的基本原理是，样品重量变化所引起的天平位移量转化成电磁量，这个微小的电量经过放大器放大后，送入记录仪记录；而电量的大小正比于样品的重量变化量。
当被测物质在加热过程中有升华、汽化、分解出气体或失去结晶水时，被测的物质质量就会发生变化。
这时热重曲线就不是直线而是有所下降。
通过分析热重曲线，就可以知道被测物质在多少度时产生变化，并且根据失重量，可以计算失去了多少物质（如CuSO4•5H2O中的结晶水）。
从热重曲线上我们就可以知道CuSO4•5H2O中的5个结晶水是分三步脱去的。
TGA 可以得到样品的热变化所产生的热物性方面的信息。
热重分析仪3D图种类热重分析通常可分为两类：动态法和静态法。
1、静态法：包括等压质量变化测定和等温质量变化测定。
等压质量变化测定是指在程序控制温度下，测量物质在恒定挥发物分压下平衡质量与温度关系的一种方法。
等温质量变化测定是指在恒温条件下测量物质质量与温度关系的一种方法。
这种方法准确度高，费时。
2、动态法：就是我们常说的热重分析和微商热重分析。
热重分析
第三节 热重分析（TG ）一、基本原理热重法是在程序控温下，测量物质的质量随温度(或时间)的变化关系的一种技术，简称TG 。
如熔融、结晶和玻璃化转变之类的热行为，试样确无质量变化，而分解、升华、还原、解吸附、吸附、蒸发等伴有质量改变的热变化可用TG 来测。
如果在程序升温的条件下不断记录试样的重量的变化，即可得到TG 曲线。
如图1所示。
一般可以观察到二到三个台阶，第一个失重台阶W 0—W 2多数发生在100℃以下，这多半是由于试样的吸附水或试样内残留的溶剂挥发所致。
第二个台阶往往是试样内添加的小分子助剂，如高聚物增塑剂、抗老剂和其他助剂的挥发（如纯物质试样则无此部分）。
第三个台阶发生在高温是属于试样本体的分解。
为了清楚地观察到每阶段失重最快的温度。
经常用微分热重曲线DTG （如图1b ）。
这种/dW dt 曲线可以利用电子微分电路在绘制TG 曲线的同时绘出。
对于分解不完全的物质常常留下残留物W R 。
在某种特殊的情况下还会发生增重现象，这可能是物质与环境气体（如空气中的氧）进行了反应所致。
另外目前又出现了一种等温TG 曲线。
这是在某一定温度条件下，观察试样的重量随时间的变化，所以又称“等温热失重法”即：W=f （t ）（温度为定值）W 0 W 1 W 2 W 3重量图1 热重分析曲线（a ）与微商热重曲线（b ）炉子它能提供很多有用的信息，如在某温度下物体的分解速度或某成分的挥发速度等。
二、基本结构热重法的仪器称为热天平，给出的曲线为热重曲线。
热重曲线以时间t 或炉温T 为横坐标，以试样的质量变化（损失）为纵坐标。
热天平的基本单元是微量天平、炉子、温度程序器、气氛控制器以及同时记录这些输出的仪器。
热天平的示意图如图2-1所示。
通常是先由计算机存储一系列质量和温度与时间关系的数据完成测量后，再由时间转换成温度。
三、影响因素虽然由于技术的进步，在设计TG 仪器时进行了周密的考虑，尽量减少各种因素的影响，但是客观上这些因素还不同程度在存在着，为了数据的可靠性，有必要分述如下：1.坩埚的影响坩埚是用来盛装试样的，坩埚具有各种尺寸、形状并由不同材质制成。
热重分析
实验热重分析热重分析（TG）是指在程序控制升温条件下，测量物质的质量与温度变化的函数关系的一种技术。
TG主要用来研究聚合物在空气中或惰性气体中热稳定性和分解作用。
除此之外，还可研究固相反应，测定水分挥发物或者吸收、吸附和解吸附过程，气化速度、气化热、升华温度、升华热、氧化降解、增塑剂挥发性、水解和吸湿性、塑料和复合材料的组分等。
一、实验目的1．掌握热重实验分析技术，测量聚合物的热重（TG）曲线和微分热重（DTG）曲线。
2．掌握如何确定聚合物的热分解温度。
二、实验原理热重分析是测定试样在温度等速上升时重量的变化，或者测定试样在恒定的高温下重量随时间的变化的一种分析技术。
热重分析的谱图一般是以重量W对温度T的曲线或者试样的重量变化速度dw/dt对温度T的曲线来表示。
后者称为微分热重曲线，如图1所示。
最初阶段试样有少量重量损失，（W0-W1）一般主要是聚合物中溶剂解吸所致，如果发生在100℃附近，则可能是失水所致。
试样大量分解是从T1开始的，重量减少是W1-W2，从T2到T3阶段存在着其它的稳定相，然后再进一步分解。
图中T1称为分解温度，有时取C点的切线与AB延长线相交处温度T’作为分解温度，后者数值偏高。
10 12A BCT T1T TdW/dt图1 给定聚合物在恒定的△(1/T)热降解动态图（a）热谱图(b)动力学计算TG曲线的形状与试样分解反应的动力学有关，因此反应级数n、活化能E、阿累尼乌斯公式中的频率因子A等动力学参数，均可从热重曲线中求得。
这些参数在说明聚合物降解机理或评价聚合物的热稳定性等方面是非常有用的。
一种由TG曲线计算动力学参数的方法如下：对于包含下述类型分解过程的反应：A（固体）→B（固体）+C（气体）（1）其热损失重速率k可由Areniws方程表示：k=dW/dt=A×W n×exp(-E/RT) （2）式中A 为指前因子，W 为剩余试样重量，n 为反应级数，dW/dt 为反应速率（mg/s 或Kg/s ），E 为活化能，R 为普适气体常数，T 为绝对温度。
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典型热重曲线
如何确定起始温度、外延起始温度、外延终止温度、终止温度、半寿温度、 分解5%、10%的温度呢？如下图：
几个常用术语
①热天平（Thermobalance）在程序温度下，连续称量 试样重量的仪器； ②测温热电偶 由于不同金属接触存在接触电势,两接 触头温度一致，无电动势，两温度不同则产生E，这叫 温差电动势，是1821年德国物理学家塞贝克首先发现的 。E与ΔT有正比关系。这可用来测高温，铂铑－铂电偶可测1600℃高温，镍－镍 铝热电偶可测到1100℃，铜－康铜热电偶<300℃(见上图）； ③试样（sample）实际研究的材料，即被测定物质； ④样品池或称钳锅 放试样的容器（陶瓷、铝、铂等等）; ⑤试样支持器（sample holder）放样品池或称钳锅的支架； ⑥ 曲线平台（plateau）TG曲线上质量基本不变的部分； ⑦起始温度（Initial temperature）Ti 累积质量变化达到热天平能够检测时的温 度； ⑧ 终止温度（final temperature）Tf 累积质量变化达到最大值的温度； ⑨反应区间（reaction interval）起始温度与终止温度间的温度间隔（Ti - Tf）.
热重分析的应用
目前，热重分析法已在下述诸方面得到应用：
(1)无机物、有机物及聚合物的热分解； (2)金属在高温下受各种气体的腐蚀过程； (3)固态反应； (4)矿物的煅烧和冶炼； (5)液体的蒸馏和汽化； (6)煤、石油和木材的热解过程； (7)含湿量、挥发物及灰分含量的测定； (8)升华过程； (9)脱水和吸湿； (10)爆炸材料的研究； (11)反应动力学的研究； (12)发现新化合物； (13)吸附和解吸； (14)催化活度的测定； (15)氧化稳定性和还原稳定性的研究； (16)反应机理的研究；
CuSO4· 3H2O + 2H2O CuSO4· H2O + 2H2O CuSO4 + H2O
(1) (2) (3)
稍作理论计算便知这种分析是合理的：第一次理论失重率为：
100%
第二次理论失重率也14.43%。第三次为一半，即7.21%，计算与实验TG基本一致。
影响热重曲线的因素
浮力的影响
挥发性污染物的影响
试样热分析过程中逸出的挥发物和分解产物可能在 热天平上和其它部分冷凝附着，这不仅污染了仪 器，使失重率偏低，待温度更高时，这些冷凝物 又再次挥发产生假失重，通入N2气惰性气体是克 服这一问题的好方法。
热滞后的影响
由于热传给试样有一个过程，所以炉内温度与样品温 度是有差别的。 热滞后受到许多因素的影响，包括升温速率、炉内气 氛、炉子的几何形状、坩埚材料的导热性和位置、试 样的质量、粒度、装样的紧密程度、试样的导热性等。 另外，试样在升温过程中，吸热或放热也会使温度偏 离线性程序升温，从而改变了TG曲线位置。试样量越 大，这种影响越大。对于受热产生气体的试样，试样 量越大，气体越不易扩散。再则，试样量大时，试样 内温度梯度也大，将影响TG曲线位置。总之实验时应 根据天平的灵敏度，尽量减小试样量，但试样量太小 会影响热天平的质量灵敏度。
TG/DTG曲线
BC表示第一次失重，从纵坐标可以 看出（现在仪器点击就出结果）。失 重1.55 mg（比如一格是0.2 mg，十万 分之一的热天平），失重率为：
W0 W1 1.55 100% 100% 14.35% W0 10.80
CD是另一个稳定组成，相应重量为 W1，DE为第二次失重是1.6 mg。
热重曲线的解析
平台(Plateau), AB和CD段 起始温度(Ti) 终止温度(Tf) 反应区间(BC段), 从Ti到Tf 的温 度间隔 阶梯(Step), BB’段 (a).阶梯位置 -重量变化温区 (b).阶梯高度 - 重量变化大小 (c).阶梯斜度 -重量变化或反应 速率
1887年，法国Le Chatelier发明了热分析，但 作为一门独立的测试技术是 1965年国际热分析协 会成立之后才被广泛接受的。1977年国际热分析 协会（ICTA）在日本召开了第七次会议，给热分 析下了这样一个定义：热分析是在程序控制温度 下，测量物质的物理性质与温度的关系的一类技 术。 热分析包含有热重（TG），差热（DTA）， 差示扫描量热（DSC），热导式量热等等。TG、 DTA被称为是“经典热分析” 。
升温速率的影响
升温速率对TG曲线影响最大。升温速率越大温度滞 后越严重，开始分解温度Ti和终止分解温度Tf偏高， 反应区间也变宽。 一般进行热重测定不采用太高的升温速率，对传热 差的高分子试样，一般用于10oC/分。对无机物、金 属试样用10-20oC/分。作动力学实验时还要低一些
空气对流
热天平试样周围气氛受热变轻上升，形成向上 热气流。作用在天平上相当于减重。这可以通 过对炉体的改造使其影响最小。
坩埚的影响
热分析要求样品池---坩锅不能与样品反应，没 有催化活性，不吸潮，没有相变。比如碳酸钠 与石英、陶瓷坩锅与SiO2在高温500℃就有反 应。铂钳锅不适合作含磷，硫和卤素的高聚物 试样测试的钳锅。Al2O3钳锅使用前一般要在 马弗炉中1300℃以上高温处理，再放入干燥器 中备用。注意，不少钳锅处理后还可以反复使 用！
W1 W2 1.60 100% 100% 14.80% W0 10.80
第三次失重0.80 mg失重率为7.40%。 总失重率为36.60%（从常温到280℃） 分析表明结晶硫酸铜分三阶段脱水。 即
CuSO4· 5H2O CuSO4· 3H2O CuSO4· H2O
W2 H 2O WCuSO 4 5H 2O 2 18.016 100% 14.43% 249.68
热重分析的工作原理
热重法是在程序温 度控制下, 连续测量 试样的质量随温度或 时间变化的一种技术。 这种技术常应用于物 质的分解、升华、蒸 发、氧化、还原、吸 附和脱附等伴随有质 量变化的过程。原理 方框图如右所示：
微量热天平的工作原理示意图
发生重量变化时，天平梁发生偏转，梁中 心的纽带同时被拉紧，光电检测元件的偏转输 出变大，导致吸引线圈中电流的改变。 在天 平一端悬挂着一根位于吸引线圈中的磁棒，能 通过自动调节线圈电流时天平梁保持平衡态， 吸引线圈中的电流变化与样品的重量变化成正 比， 由计算机自动采集数据得到 TG 曲线。 燃烧失重速率曲线 DTG 可以通过对曲线的数 学分析得到。
以CuSO4· 5H2O为例,CuSO4· 5H2O在被加热过程中（炉体程序升温），先失去2 个结晶水，再失去2个结晶水。再失一个结晶水，再变成CuO逸出SO3最后恒重， TG曲线是：
TG曲线
从热重曲线可派生出微商热重曲线(DTG)，它是TG曲线对 温度(或时间)的一阶导数。以物质的质量变化速率dm/dt对 温度T(或时间t)作图，即得DTG曲线，如上图曲线b所示。 DTG曲线特点: 精确反映出每个失重阶段的起始反应 温度，最大反应速率温度和反应终止温度；DTG曲线的峰 面积与TG曲线上对应的失重量成正比；当TG曲线对某些 受热过程出现的台阶不明显时，利用DTG曲线能明显区分。
空气在室温下1.18 mg/mL，1000℃时只有 0.28 mg/mL，炉内样品在升温中浮力在减少， 也就是说在试样质量没有变化时，只是由于升温， 试样也在增重பைடு நூலகம்W = Vρ（1-273/T）。V是样品 及反池的体积，ρ：空气密度，这个误差原则上 可以通过计算机校正，但由于浮力小，一般实验 可以忽略。
热重(Thermogravimetry,TG)分析
热重分析的发展史 热重分析基本原理 热重曲线解析 TG/DTG曲线的应用 影响热重曲线的因素
热分析技术发展简史
TG-DTA：
TG-DTA：
热分析方法是仪器分析方法之一，它 与紫外分光光度法、红外光谱分析法、原 子吸收光谱法、核磁共振波谱法、电子能 谱分析法、扫描电子显微镜法、质谱分析 法和色谱分析法等相互并列和互为补充的 一种仪器分析方法。