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(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)，可以用來(lái)研究材料的熱穩(wěn)定性和組分。

    注：之所以定義為質(zhì)量的變化而非重量變化是基于在磁場(chǎng)作用下，強(qiáng)磁性材料達(dá)到居里點(diǎn)時(shí)，雖無(wú)質(zhì)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(zhì)量之間的關(guān)系，那么在溫度變化過(guò)程中，存在質(zhì)量變化的反應(yīng)，基本都能夠通過(guò)TG表現(xiàn)出來(lái)。在實(shí)際中這樣的反應(yīng)包括：1）物理變化，如蒸發(fā)、升華、吸收、吸附和脫附等；2）化學(xué)反應(yīng)，TG也可提供有關(guān)化學(xué)現(xiàn)象的信息，如化學(xué)吸附、脫溶劑(尤其是脫水)、分解和固相-氣相反應(yīng)(如氧化或還原)等。

    一般說(shuō)來(lái)TG只能分析在溫度變化過(guò)程中存在質(zhì)量變化的反應(yīng)，但是實(shí)際中很多反應(yīng)在溫度變化過(guò)程中是不存在質(zhì)量變化的，比如相轉(zhuǎn)變(如石英的α向β相轉(zhuǎn)變)，玻璃態(tài)轉(zhuǎn)變等，此時(shí)可以結(jié)合DSC或DTA來(lái)進(jìn)行分析(因?yàn)榘l(fā)生相轉(zhuǎn)變過(guò)程中存在吸/放熱)

    具體來(lái)講TG主要用于這四個(gè)方面：

    1）通過(guò)分析材料的分解模式來(lái)解析其特性；

    2）研究材料的降解機(jī)制及反應(yīng)動(dòng)力學(xué)；

    3）測(cè)定樣品中有機(jī)物的含量；

    4）測(cè)定樣品中無(wú)機(jī)物的含量。

    這些方法可以用來(lái)驗(yàn)證材料的結(jié)構(gòu)或者也可以對(duì)材料進(jìn)行化學(xué)成分分析。其中TG技術(shù)在高分子材料中應(yīng)用尤為廣泛如：熱塑性塑料、熱固性材料、人造橡膠、復(fù)合材料、塑料薄膜、纖維、涂料和油漆等。

    TG的測(cè)試流程

圖二 TG測(cè)試常用流程圖

    TG曲線實(shí)例分析

    一、TG與DTA的聯(lián)用技術(shù)用于對(duì)反應(yīng)過(guò)程分析

    如下圖所示，研究者結(jié)合TG和DTA對(duì)α-MnO2在高溫下的晶型轉(zhuǎn)變進(jìn)行了探索。從圖三可以看出，400℃時(shí)出現(xiàn)*次質(zhì)量損失（1.9%），對(duì)應(yīng)于分解水的脫去；在530℃下，出現(xiàn)第二次質(zhì)量損失，對(duì)應(yīng)于O2的釋放，從而推測(cè)此處出現(xiàn)了α-MnO2到方鐵錳礦相(Mn2O3)的轉(zhuǎn)變；870℃下的吸熱峰則對(duì)應(yīng)于晶型向黑錳礦(Mn3O4)晶型轉(zhuǎn)變。

圖三 TG-DTA聯(lián)用

    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(shù)對(duì)石墨烯基面造孔，從而引入微/介孔的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。該研究者利用TG測(cè)試技術(shù)（指圖中-●-線），但需要說(shuō)明的是，此處只是利用6個(gè)不同溫度下條件下，保溫10小時(shí)后所剩石墨烯質(zhì)量進(jìn)行繪制圖形的結(jié)果，與一般意義上的程序控溫有些不同。根據(jù)圖四，發(fā)現(xiàn)在440℃左右開(kāi)始出現(xiàn)大的質(zhì)量損失，證明此處是石墨烯被空氣刻蝕開(kāi)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(huì)出現(xiàn)石墨烯被*燒掉的情況，保證了zui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(yīng)溫度

    三、運(yùn)用TG技術(shù)調(diào)查燃料的點(diǎn)火溫度和燃燒溫度

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

圖五 利用TG進(jìn)行分析燃料的點(diǎn)火溫度和燃燒溫度

    此外，利用TG可以分析一些亞穩(wěn)材料的熱穩(wěn)定性。