何小蝶

摘 要 簡要介紹了熱分析的發(fā)展過程，作為熱分析方法中的一種——熱失重分析的應(yīng)用、儀器構(gòu)造和基本原理。并闡述了影響其分析測試的幾種因素及解決方法

關(guān)鍵詞 熱失重分析儀;原理;影響因素

中圖分類號(hào)：O6 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1671-7597（2014）22-0096-02

熱分析技術(shù)是研究物質(zhì)在加熱或冷卻過程中發(fā)生物理或者化學(xué)變化的技術(shù)。近年來，熱分析方法迅猛發(fā)展，發(fā)展了很多測量儀器和方法，比如：差示掃描量熱儀、差示熱分析、熱機(jī)械分析、動(dòng)力機(jī)械熱分析，熱失重分析法等等。其中熱重法是最早出現(xiàn)的，1786年Wedgnood在研究粘土?xí)r獲得第一條熱重曲線，1915年日本物理學(xué)家發(fā)明熱重分析儀TG。隨著科學(xué)的發(fā)展，熱重分析儀在精度、自動(dòng)化、信號(hào)高靈敏度、分辨力等方面取有很大的提高和改善，操作日益趨于方便，其應(yīng)用也更加廣泛。

1 熱失重分析的應(yīng)用

熱失重分析是在程序控溫下測量試樣質(zhì)量隨著溫度變化的一種方法?？蓽y量樣品質(zhì)量的變化，比如增加或者減少，測定質(zhì)量改變（增加或者減少）的溫度。由于該技術(shù)具有需要質(zhì)量少，試樣不用前處理，不使用溶劑，結(jié)果易于分析等特點(diǎn)，在生產(chǎn)與科學(xué)研究各個(gè)方面廣泛應(yīng)用。是科學(xué)研究與發(fā)展必不可少的研究方法。廣泛應(yīng)用于高分子材料、無機(jī)材料、塑料、橡膠、食品等領(lǐng)域。用于研究材料的熱穩(wěn)定性、分解過程、材料成分的定量分析等。

1）熱失重分析方法在各個(gè)領(lǐng)域的應(yīng)用。

在高分子材料方面，人們主要用來研究材料的熱穩(wěn)定性，添加劑的穩(wěn)定性，共聚物、共混物體系的定量分析，聚合物的熱裂解以及熱老化的研究等等。例如，在測試的過程當(dāng)中，用不同的溫度范圍可以判斷該材料是否在該溫度范圍內(nèi)穩(wěn)定;若知道該高分子材料中存在揮發(fā)物，可以將該材料使用高于揮發(fā)物沸點(diǎn)的溫度下測試，那么就可以測定該高分子材料中的揮發(fā)物含量，利用熱分析研究藥物在受熱過程當(dāng)中的各種物理化學(xué)變化，如晶型轉(zhuǎn)變、熔融、升華等等，從而對(duì)該藥品進(jìn)行熔點(diǎn)、沸點(diǎn)確定及純度的檢驗(yàn)。如，應(yīng)用熱失重分析法可以判斷藥物分子中是否含有結(jié)晶水和含有結(jié)晶水的個(gè)數(shù)，并且準(zhǔn)確地判斷水的成分是結(jié)晶水還是吸附水。根據(jù)范德霍夫方程，藥品熔點(diǎn)的下降與雜質(zhì)的質(zhì)量分?jǐn)?shù)成正比，通過熔融曲線變寬，可以判斷熔點(diǎn)下降，是由于雜質(zhì)的存在。采用熱重分析法與差示掃描量熱相結(jié)合的方法，能夠準(zhǔn)確地測出其純度和熔點(diǎn)。

熱分析技術(shù)也用于環(huán)境監(jiān)測，比如測定環(huán)境中的各種變化，如廢棄物的脫水、分解、降解等等。與其他技術(shù)結(jié)合測定空氣中懸浮顆粒中碳元素和可溶、難溶有機(jī)物的總量等。

2）熱失重分析與其他方法聯(lián)用應(yīng)用。

熱失重分析方法跟其他熱分析方法聯(lián)用能夠獲得更為豐富的物理或者化學(xué)變化信息，近期發(fā)展起來的熱失重分析與其他非熱分析方法聯(lián)用，應(yīng)用更為廣泛。比如，將熱失重分析儀與質(zhì)譜或者紅外光譜儀聯(lián)用，能夠在線分析在溫度變化過程中產(chǎn)生氣體的性質(zhì)，表征物質(zhì)的種類。熱失重分析儀與質(zhì)譜聯(lián)用，有很高的靈敏度，并能快速檢測極少量物質(zhì)，在線分析揮發(fā)性化合物。材料的研發(fā)與質(zhì)量控制方面，可以用來分析化合物的分解（PVC的熱解等）;在藥物合成方面，在合成過程當(dāng)中，會(huì)經(jīng)常使用各種溶劑，而殘留的溶劑會(huì)影響藥物的性質(zhì)，所以需要測定藥物中殘留的溶劑，確保他們的含量盡可能低。

2 熱失重分析儀構(gòu)造與基本原理

熱失重分析儀是熱分析儀器的一種，它主要由兩部分組成：天平和加熱爐。它的測量原理是給被測物質(zhì)加溫，然后記錄被測物質(zhì)質(zhì)量隨溫度的變化，分析引起物質(zhì)特性改變的溫度點(diǎn)，以及被測物質(zhì)在溫度改變中吸收或者放出的能量，從而研究物質(zhì)的性質(zhì)。

根據(jù)天平與爐體的位置，可以將熱失重分析儀分為三類，分別為上置式、懸掛式和水平式，如下結(jié)構(gòu)見圖。

圖1 熱失重分析儀的類型的結(jié)構(gòu)簡圖

（箭頭的方向?yàn)闋t體的運(yùn)動(dòng)方向）

分析天平是很靈敏和要求精度的儀器，在天平與爐體之間有保護(hù)措施保護(hù)天平不受腐蝕性分解物的腐蝕和熱量的熱輻射。除去結(jié)構(gòu)的保護(hù)，通常情況下，會(huì)增加一路保護(hù)氣吹掃天平。

3 影響熱失重分析儀分析測試的幾種因素

1）升溫速率的影響。

升溫速率的選擇影響測試結(jié)果，尤其是樣品經(jīng)歷化學(xué)反應(yīng)的情況下。例如，較高的升溫速率能使反應(yīng)移至較高的溫度。這是由于傳熱的滯后造成的。當(dāng)升溫速率增加的時(shí)候，而傳熱又需要一定的時(shí)間，那么樣品內(nèi)部不能及時(shí)升溫發(fā)生反應(yīng)。因此在實(shí)際測試的過程中，要根據(jù)樣品的物理、化學(xué)性質(zhì)來確定。對(duì)于不了解化學(xué)性能的，一般采用較快的升溫速率。一般較慢的升溫速率有利于中間產(chǎn)物的分離鑒定和重疊反應(yīng)的分辨。常用的升溫速率是5-10℃/min。

2）坩堝的影響。

坩堝的選擇要遵循不影響樣品反應(yīng)的原則。目前坩堝主要由以下幾種材料組成，如陶瓷、鋁、鉑、石英、剛玉、玻璃等。他們的使用溫度范圍是不同的，導(dǎo)熱也不一樣。溫度在500度以下的時(shí)，可以使用鋁坩堝;超過500度以上，可以選擇陶瓷或者鉑坩堝等。因此在測試的時(shí)候要選擇合適的坩堝。

3）樣品填裝與量。

樣品填裝與量影響熱傳導(dǎo)和逸出物的擴(kuò)散。例如，試樣在坩堝中的填裝松緊程度會(huì)影響熱分解氣體向周圍空間的擴(kuò)散和試樣與氣氛的接觸;對(duì)于非均勻樣品或者質(zhì)量變化很小的樣品，需要加大樣品量?？傊跇悠诽钛b的時(shí)候，要注意以下幾點(diǎn)：①保證試樣內(nèi)部的溫度分布盡量均一;②保證試樣與坩堝接觸良好。

4）氣體選擇及流量的影響。

熱失重分析通常是在靜態(tài)或者動(dòng)態(tài)氣氛下操作的。是選擇動(dòng)態(tài)還是靜態(tài)氣氛，需要考慮產(chǎn)物是否受分壓影響。靜態(tài)氛圍下，溫度升高，反應(yīng)速度加快，但是試樣周圍的氣體會(huì)增加，分壓升高，反應(yīng)會(huì)移向高溫;在動(dòng)態(tài)氛圍下，反應(yīng)物不容易聚集，反應(yīng)溫度不會(huì)受分壓的影響。另一方面，要保證氣體流量的平衡，避免載體流動(dòng)對(duì)天平造成波動(dòng)。如果坩堝所處的空間密度對(duì)溫度升高降低，浮力減小，表現(xiàn)為表觀增重;如果氣流往上，會(huì)引起浮力增大，表現(xiàn)為表觀失重。

4 結(jié)論

熱失重分析作為熱分析方法的一種，具有在各個(gè)方面都有廣泛的應(yīng)用。例如通過曲線的臺(tái)階計(jì)算或者同步DSC或者同步DTA，可以得出材料或者化學(xué)物的熱穩(wěn)定性、分解、反應(yīng)性氣體的影響、所含水份、吸附/解吸附過程、蒸發(fā)行為等。

在測試分析的過程中，有很多因素會(huì)影響熱分析測試的結(jié)果。為避免一些影響因素，保證實(shí)驗(yàn)結(jié)果有很好的重復(fù)性、重現(xiàn)性和可比性，事先確定統(tǒng)一的實(shí)驗(yàn)條件進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)這些因素影響的大小及規(guī)律，有效避免。同時(shí)，也需要甄別一些假象因素，力求得出最真實(shí)的結(jié)果。例如，在加熱時(shí)，由于氣體氛圍隨著溫度的升高，密度下降，產(chǎn)生浮力效應(yīng)，導(dǎo)致表觀質(zhì)量的增加。通常浮力效應(yīng)是可以通過扣除空白曲線來解決。其次在測試的過程當(dāng)中，樣品突然伴隨生成的氣體噴出也會(huì)造成質(zhì)量的突然減少。這個(gè)可以通過添加坩堝蓋來解決;再者，氣體的流速的不穩(wěn)定也會(huì)造成曲線的增重或者減重，所以在測試過程當(dāng)中，要保證氣體流速的穩(wěn)定性。

參考文獻(xiàn)

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