分析方法
從熱重曲線上我們就可以知道CuSO4·5H2O中的5個(gè)結(jié)晶水是分三步脫去的。通過(guò)TGA 實(shí)驗(yàn)有助于研究晶體性質(zhì)的變化,如熔化、蒸發(fā)、升華和吸附等物質(zhì)的物理現(xiàn)象;也有助于研究物質(zhì)的脫水、解離、氧化、還原等物質(zhì)的化學(xué)現(xiàn)象。熱重分析通??煞譃閮深?lèi):動(dòng)態(tài)(升溫)和靜態(tài)(恒溫)。熱重法試驗(yàn)得到的曲線稱(chēng)為熱重曲線(TG曲線),TG曲線以質(zhì)量作縱坐標(biāo),從上向下表示質(zhì)量減少;以溫度(或時(shí)間)作橫坐標(biāo),自左至右表示溫度(或時(shí)間)增加。
工作原理
熱重分析儀主要由天平、爐子、程序控溫系統(tǒng)、記錄系統(tǒng)等幾個(gè)部分構(gòu)成。
最常用的測(cè)量的原理有兩種,即變位法和零位法。所謂變位法,是根據(jù)天平梁傾斜度與質(zhì)量變化成比例的關(guān)系,用差動(dòng)變壓器等檢知傾斜度,并自動(dòng)記錄。零位法是采用差動(dòng)變壓器法、光學(xué)法測(cè)定天平梁的傾斜度,然后去調(diào)整安裝在天平系統(tǒng)和磁場(chǎng)中線圈的電流,使線圈轉(zhuǎn)動(dòng)恢復(fù)天平梁的傾斜,即所謂零位法。由于線圈轉(zhuǎn)動(dòng)所施加的力與質(zhì)量變化成比例,這個(gè)力又與線圈中的電流成比例,因此只需測(cè)量并記錄電流的變化,便可得到質(zhì)量變化的曲線。
影響因素
試樣量和試樣皿
熱重法測(cè)定,試樣量要少,一般2~5mg。一方面是因?yàn)閮x器天平靈敏度很高(可達(dá)0.1μg),另一方面如果試樣量多,傳質(zhì)阻力越大,試樣內(nèi)部溫度梯度大,甚至試樣產(chǎn)生熱效應(yīng)會(huì)使試樣溫度偏離線性程序升溫,使TG曲線發(fā)生變化,粒度也是越細(xì)越好,盡可能將試樣鋪平,如粒度大,會(huì)使分解反應(yīng)移向高溫。
試樣皿的材質(zhì),要求耐高溫,對(duì)試樣、中間產(chǎn)物、最終產(chǎn)物和氣氛都是惰性的,即不能有反應(yīng)活性和催化活性。通常用的試樣皿有鉑金的、陶瓷、石英、玻璃、鋁等。特別要注意,不同的樣品要采用不同材質(zhì)的試樣皿,否則會(huì)損壞試樣皿,如:碳酸鈉會(huì)在高溫時(shí)與石英、陶瓷中的SiO2反應(yīng)生成硅酸鈉,所以像碳酸鈉一類(lèi)堿性樣品,測(cè)試時(shí)不要用鋁、石英、玻璃、陶瓷試樣皿。鉑金試樣皿,對(duì)有加氫或脫氫的有機(jī)物有活性,也不適合作含磷、硫和鹵素的聚合物樣品,因此要加以選擇。
升溫速率
升溫速度越快,溫度滯后越嚴(yán)重,如聚苯乙烯在N2中分解,當(dāng)分解程度都取失重10%時(shí),用1℃/min測(cè)定為357℃,用5℃/min測(cè)定為394℃相差37℃。升溫速度快,使曲線的分辨力下降,會(huì)丟失某些中間產(chǎn)物的信息,如對(duì)含水化合物慢升溫可以檢出分步失水的一些中間物。
氣氛影響
熱天平周?chē)鷼夥盏母淖儗?duì)TG曲線影響顯著,CaCO3在真空、空氣和CO2三種氣氛中的TG曲線,其分解溫度相差近600℃,原因在于CO2是CaCO3分解產(chǎn)物,氣氛中存在CO2會(huì)抑制CaCO3的分解,使分解溫度提高。
聚丙烯在空氣中,150~180℃下會(huì)有明顯增重,這是聚丙烯氧化的結(jié)果,在N2中就沒(méi)有增重。氣流速度一般為40ml/min,流速大對(duì)傳熱和溢出氣體擴(kuò)散有利。
揮發(fā)物冷凝
分解產(chǎn)物從樣品中揮發(fā)出來(lái),往往會(huì)在低溫處再冷凝,如果冷凝在吊絲式試樣皿上會(huì)造成測(cè)得失重結(jié)果偏低,而當(dāng)溫度進(jìn)一步升高,冷凝物再次揮發(fā)會(huì)產(chǎn)生假失重,使TG曲線變形。解決的辦法,一般采用加大氣體的流速,使揮發(fā)物立即離開(kāi)試樣皿。
浮力
浮力變化是由于升溫使樣品周?chē)臍怏w熱膨脹從而相對(duì)密度下降,浮力減小,使樣品表觀增重。如:300℃時(shí)的浮力可降低到常溫時(shí)浮力的一半,900℃時(shí)可降低到約1/4。實(shí)用校正方法是做空白試驗(yàn),(空載熱重實(shí)驗(yàn)),消除表觀增重。
TG曲線關(guān)鍵溫度表示法
分析應(yīng)用
熱重法應(yīng)用
熱重法的重要特點(diǎn)是定量性強(qiáng),能準(zhǔn)確地測(cè)量物質(zhì)的質(zhì)量變化及變化的速率,可以說(shuō),只要物質(zhì)受熱時(shí)發(fā)生重量的變化,就可以用熱重法來(lái)研究其變化過(guò)程。熱重法所測(cè)的性質(zhì)包括腐蝕,高溫分解,吸附 /解吸附,溶劑的損耗,氧化 /還原反應(yīng),水合 /脫水,分解,黑煙末等,廣泛應(yīng)用于塑料、橡膠、涂料、藥品、催化劑、無(wú)機(jī)材料、金屬材料與復(fù)合材料等各領(lǐng)域的研究開(kāi)發(fā)、工藝優(yōu)化與質(zhì)量監(jiān)控。具體包括:
無(wú)機(jī)物、有機(jī)物及聚合物的熱分解; 金屬在高溫下受各種氣體的腐蝕過(guò)程; 固態(tài)反應(yīng); 礦物的煅燒和冶煉; 液體的蒸餾和汽化; 煤、石油和木材的熱解過(guò)程; 含濕量、揮發(fā)物及灰分含量的測(cè)定; 升華過(guò)程; 脫水和吸濕; 爆炸材料的研究; 反應(yīng)動(dòng)力學(xué)的研究; 發(fā)現(xiàn)新化合物; 吸附和解吸; 催化活度的測(cè)定; 表面積的測(cè)定; 氧化穩(wěn)定性和還原穩(wěn)定性的研究; 反應(yīng)機(jī)制的研究。
分析舉列
使樣品處于程序控制的溫度下,觀察樣品的質(zhì)量隨溫度或時(shí)間的函數(shù)。廣泛應(yīng)用于塑料、橡膠、涂料、藥品、催化劑、無(wú)機(jī)材料、金屬材料與復(fù)合材料等各領(lǐng)域的研究開(kāi)發(fā)、工藝優(yōu)化與質(zhì)量監(jiān)控。
測(cè)量物質(zhì)的重量變化(在受控氣氛內(nèi)受溫度變化)。所有塞塔拉姆天平都滿足更高的度和穩(wěn)定性標(biāo)準(zhǔn)。由熱重分析儀(TGA) 所測(cè)的性質(zhì)包括腐蝕,高溫分解,吸附 /解吸附,溶劑的損耗,氧化 /還原反應(yīng),水合 /脫水,分解,黑煙末等
儀器特點(diǎn):
溫度范圍: RT ~ 1000℃
加熱與冷卻速率快。
有效精度:1μg (內(nèi)部精度: 0.1μg)
真空密封結(jié)構(gòu)。
直接測(cè)定樣品溫度。
頂部裝樣設(shè)計(jì),操作簡(jiǎn)易。
易與紅外(FTIR)、氣相質(zhì)譜(QMS)、脈沖熱分析(PulseTA) 及氣相分析(GC)聯(lián)用。
提供 c-DTA(計(jì)算型 DTA)功能(選件)
Super-Res(速率控制質(zhì)量變化)功能(選件)
自動(dòng)進(jìn)樣系統(tǒng) ASC(選件)
TG 209 C 熱重實(shí)驗(yàn)步驟
稱(chēng)取適當(dāng)重量樣品于坩堝中。
打開(kāi)蓋子 - 裝入樣品坩堝 - 關(guān)上蓋子
在軟件中設(shè)定溫度程序與氣氛等條件。
初始化工作條件,如氣體流量、抽真空等。
開(kāi)始測(cè)量。
實(shí)驗(yàn)結(jié)束后,使用 NETZSCH - Proteus 軟件對(duì)原始數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。
熱重分析
熱重分析(Thermogravimetric Analysis,TG或TGA)是指在程序控制溫度下測(cè)量待測(cè)樣品的質(zhì)量與溫度變化關(guān)系的一種熱分析技術(shù),用來(lái)研究材料的熱穩(wěn)定性和組分。TGA在研發(fā)和質(zhì)量控制方面都是比較常用的檢測(cè)手段。熱重分析在實(shí)際的材料分析中經(jīng)常與其他分析方法聯(lián)用,進(jìn)行綜合熱分析,全面準(zhǔn)確分析材料。
種類(lèi)
熱重分析通??煞譃閮深?lèi):動(dòng)態(tài)法和靜態(tài)法。
1、靜態(tài)法:包括等壓質(zhì)量變化測(cè)定和等溫質(zhì)量變化測(cè)定。等壓質(zhì)量變化測(cè)定是指在程序控制溫度下,測(cè)量物質(zhì)在恒定揮發(fā)物分壓下平衡質(zhì)量與溫度關(guān)系的一種方法。等溫質(zhì)量變化測(cè)定是指在恒溫條件下測(cè)量物質(zhì)質(zhì)量與壓力關(guān)系的一種方法。這種方法準(zhǔn)確度高,但是費(fèi)時(shí)。
2、動(dòng)態(tài)法:就是我們常說(shuō)的熱重分析和微商熱重分析。微商熱重分析又稱(chēng)導(dǎo)數(shù)熱重分析(DerivativeThermogravimetry,簡(jiǎn)稱(chēng)DTG),它是TG曲線對(duì)溫度(或時(shí)間)的一階導(dǎo)數(shù)。以物質(zhì)的質(zhì)量變化速率(dm/dt) 對(duì)溫度T(或時(shí)間t)作圖,即得DTG曲線。
儀器構(gòu)造
進(jìn)行熱重分析的基本儀器為熱天平,它包括天平、爐子、程序控溫系統(tǒng)、記錄系統(tǒng)等幾個(gè)部分。除熱天平外,還有彈簧秤。
熱重分析儀結(jié)構(gòu):
試樣支持器;
爐子;
測(cè)溫?zé)犭娕迹?/span>
傳感器;
平衡錘;
阻尼和天平復(fù)位器;
天平;
阻尼信號(hào)
應(yīng)用
熱重分析法可以研究晶體性質(zhì)的變化,如熔化、蒸發(fā)、升華和吸附等物質(zhì)的物理現(xiàn)象;研究物質(zhì)的熱穩(wěn)定性、分解過(guò)程、脫水、解離、氧化、還原、成份的定量分析、添加劑與填充劑影響、水份與揮發(fā)物、反應(yīng)動(dòng)力學(xué)等化學(xué)現(xiàn)象。
廣泛應(yīng)用于塑料、橡膠、涂料、藥品、催化劑、無(wú)機(jī)材料、金屬材料與復(fù)合材料等各領(lǐng)域的研究開(kāi)發(fā)、工藝優(yōu)化與質(zhì)量監(jiān)控。
熱重法的重要特點(diǎn)是定量性強(qiáng),能準(zhǔn)確地測(cè)量物質(zhì)的質(zhì)量變化及變化的速率,可以說(shuō),只要物質(zhì)受熱時(shí)發(fā)生重量的變化,就可以用熱重法來(lái)研究其變化過(guò)程。熱重法已在下述諸方面得到應(yīng)用:
無(wú)機(jī)物、有機(jī)物及聚合物的熱分解;
金屬在高溫下受各種氣體的腐蝕過(guò)程;
固態(tài)反應(yīng);
礦物的煅燒和冶煉;
液體的蒸餾和汽化;
煤、石油和木材的熱解過(guò)程;
含濕量、揮發(fā)物及灰分含量的測(cè)定;
升華過(guò)程;
脫水和吸濕;
爆炸材料的研究;
反應(yīng)動(dòng)力學(xué)的研究;
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