热重分析测试影响因素浅析_材料热分析_美信检测

【摘要】在热重分析中，有许多影响测试结果的因素，其中升温速率、试样量、气氛、试样粒度、填充方式等是影响测试结果的重要因素。本文分析了以上影响因素产生的原因，并提出了克服这些因素对检测曲线影响的有效措施和方法。

【关键词】热重分析；影响因素；升温速率；TG曲线

引言：

随着材料工业的不断发展，热分析技术已得到越来越广泛的应用，在材料领域发挥着越来越重要的作用。热重分析法是在程序控制温度下测量物质质量与温度关系的一种技术，其主要功能是观察试样重量随测试温度升高而发生的改变，从而得到试样失重百分率、初始分解温度（Ti）和终止温度（Tf），以及试样反应速率等信息。该测试方法的最大优点是定量性强，并能准确地测定出物质的起始分解温度、分解速率，而且试样用量少，分辨率高.。但热重法在测试过程中受影响的因素较多，如气氛流量、填充方式、试样粒度、升温速率以及试样量的多少，这些因素都会影响测试结果。为得到比较理想的测试结果，必须要研究各种影响因素的特点，针对各因素的特点采用不同的解决方法，使负面因素的影响减小到最低限度，保证测试结果的准确性。

实验结果与讨论

1. 升温速率

升温速率是影响TG曲线的主要因素之一，其对热分解的起始温度、终止温度和中间产物的检出都有着较大的影响。升温速率越慢，特别是对多步失重的样品来说，分辨率就会提高，每步的失重过程就会在TG曲线上显示的比较清晰，但最大的缺点就是测试太耗时。反之，升温速率越快，在TG曲线上邻近的两个失重平台区分越不明显，如果试样在加热过程中生成中间产物，则在TG曲线上就很难检出。此外，升温速率如果快，试样的起始分解温度和终止分解温度也会随升温速率的增大而提高，从而使反应曲线向高温方向移动。这是由于升温速率越大，所产生的热滞后现象越严重而导致的。图1为某有机物样品在氮气流量为20ml/min，升温速率分别为10℃/min、20℃/min时的TG曲线。从图中可以看出，随着升温速率的增大，反应的起始温度和终止温度也增高，TG曲线向高温侧移动，产生滞后现象。这是因为传热需要一定的时间，当升温速率增加时，样品内部不能及时升温挥发和分解。

设置测试的升温速率要根据客户的测试目的及样品的物理、化学性能而定。若是不了解其物化性能的样品，应采用较快的升温速率先测一次看其结果后再定待测样品的升温速率。而对于一些含能材料，由于其在一定温度下会发生激烈反应，所以在试样量较少的前提下，可适当提高升温速率。总而言之，选择合适的升温速率是提高测试精度的一个关键因素。

图1.不同升温速率下的TG曲线

2. 试样量

升温速率相同，试样用量越多，升温过程中试样内部的温度差就越大。当发生分解反应时，若有吸热或放热现象，在反应过程中试样的温度偏差就越严重，从而引起的TG曲线畸变程度也越大；试样量太多，试样内部分解产生的气体产物难以逸出，会阻碍反应的顺畅进行。图2为升温速率在10℃/min，氮气流量为20ml/min，某有机物样品质量分别为5mg、10mg时测得的TG曲线。从图中可以看出，随着样品量的增多，TG曲线向高温方向移动，温度区间变宽。这是因为试样用量越大，试样内部的温度梯度越大，当其表面达到分解温度后，要经过较长时间内部才能达到分解温度，导致炉子的程序控温与试样内部温度产生时间上的滞后，表现在TG曲线上就出现程序控温比实际的热分解温度偏高，曲线向高温方向偏移。同时，试样用量也会影响逸出气体在试样粒子间的空隙向外的扩散速度。样品的分解与气体挥发是同时进行的，采用较大的样品量时，热分解反应会产生较多的气体，这些气体需要较长的挥发时间，样品量的增加会增加气体的扩散阻力，在试样间隙和表面上形成一定分压，进而影响样品的分解，使样品的分解温度变高，从而使得TG曲线向高温移动。

为了得到一条好的曲线，必须要掌握样品的用量。根据实践经验，对于一些热感度较低的物质，失重率低的物质，样品用量可多些。而对于失重率高和反应比较剧烈的样品，用量绝对不能多，一般应控制在0.5mg以下，否则不但会突然增重，引起曲线变形，重者还会损坏仪器。试样用量的多少，应控制在热重分析仪灵敏度范围内。

图2.不同样品质量的TG曲线

3. 气氛流量

热重法通常可在静态或动态气氛下进行测试。在静态气氛下，虽然随着温度的升高，反应速度加快，但由于试样周围的气体浓度增大，将阻止反应的继续，使反应速度反而减慢。为了获得重复性较好的试验结果，多数情况下都是做动态气氛下的热分析，它可以将反应生成的气体及时带走，有利于反应的顺利进行。同时气流增加了炉内气体的对流传热，导致试样升温及时，对程序升温的反应时间缩短。

4. 试样粒度

试样粒度对热传导、气体扩散有着较大的影响，例如，试样粒度不同，对气体产物扩散的影响也不同，因而会改变试样的反应速度，进而改变TG曲线的形状。试样的晶粒大可能会产生烧爆作用，从而使TG曲线上出现突然失重。试样粒度越小，达到温度平衡也，越快，对于给定的温度，分解程度也越大。一般说来，试样粒度越小，初始分解温度Ti和终止分解温度Tf都相应降低，反应区间变窄，试样颗粒度大往往得不到较好的TG曲线。为了得到较好的试验结果，要求试样粒度均匀。

5. 填充方式

实验证明，试样装填方式对 TG 曲线也有影响。一般来说，试样装填越紧密，试样颗粒间接触越好，越有利于热传导，因而温度滞后越小。但试样装填越紧密，越不利于气氛向试样内扩散，不利于气氛与试样颗粒的接触，更严重的是阻碍了分解气体产物的扩散和逸出，从而影响热重分析的测试结果。

结论

本文探讨了影响热重分析结果的一些因素，目的在于在实际测量过程中，尽可能减小这些因素对TG曲线的影响，以提高热重分析的测试质量。所以必须要加强对热重分析技术的研究，发现产生热重分析系统误差的规律及其原因，并找到解决问题的方法。

参考文献：

[1]马俊、张玲、江志涛等.《影响热重分析仪测试的几种因素及解决方法探讨》

[2]王淑勤、肖乐勤.《热重分析曲线影响因素的研究与探索》

[3]刁静人.《热重分析结果的影响因素分析》

[4]宋军、宋刚、汪丽等.《热重法测试过程中的影响因素分析》

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