TGA热重分析在材料分析中的应用

热分析概述

物质在温度变化过程中可能发生一些物理变化（如玻璃化转变、结晶、熔化）和化学变化（如分解、氧化、还原、交联、脱水等反应），这些物质结构方面的变化必定导致其物理性质相应的变化。因此，通过测定这些物理性能相应的变化，就有可能对物质结构方面的变化作出定性和定量的分析，还可以被用来确定物质的组分及种类，测定玻璃化转变、比热容、热膨胀系数等热物性参数。

热分析是研究样品物理性质与温度间关系的一类技术。我国于2008年实施的国家标准《热分析术语》GB/T6425-2008）中对热分析技术定义为：热分析是在程序控制温度下（和一定气氛中），测量物质的物理性质与温度或时间关系的一类技术。

TGA工作原理

● 热重分析仪（Thermogravimetric Analysis，TGA）是指在程序控温和某一气氛下测定样品重量和重量变化率随温度的变化关系。

● 一般用于确定样品的分解和材料的稳定性（TGA可达1200℃，SDT可达1500℃）；也可用于测定样品发生分解、氧化、脱水、吸附等过程中的重量变化。

热重分析（TG或TGA），可以测试在加温过程中被测试的试样质量的变化，并可以通过质量变化曲线分析物质特性改变的温度点，和物性改变中的吸热或放热，以研究试样的的热特性。

TG是受程序控制温度下，测量物质的质量与温度关系的一种技术。

数学表达式为：W=f（T或t）

式中：W为物质的重量，T为温度，t为时间。

由TG试验获得的曲线称热重曲线（TG曲线）。，如图所示：

从TGA测试图上，可以得到物质的初始分解温度、最大失重温度、失重率等数据。

TGA技术应用

● 可以用来测定金属络合物的降解、煤的成分、物质脱水、分解和聚合物的氧化诱导期、催化剂的筛选、吸附与解吸、催化活度的测定、炸药的性能以及反应动力学的研究；

● 分解温度、热稳定性和氧化稳定性、多组分体系的组分含量、产品寿命预测、分解动力学、反应或腐蚀性气氛对材料的影响、材料水分和挥发分的含量；

● 与红外谱、质谱相连，可进一步研究不同温度下逸出气体的成分；

● 广泛应用于无机、有机、石油化工、建筑材料、化纤、陶瓷、制药等领域。

案例分享

1、按照特定官能团定量，测试EVA的分解温度、VA含量。

可以看出，EVA有两段热失重，分别为373℃、472℃，进一步计算出VA含量为49%

2、TGA用于炭黑的定量、按照特定官能团定量，测试EVA的分解温度、VA含量。

测试条件：室温~500℃，氮气，20℃/min；500~800℃，空气， 20℃/min

图谱分析：500℃前失重的为增粘剂、树脂等；切换空气后，580℃失重的是炭黑

测试条件：上图室温~800℃，氮气，20℃/min；下图室温~800℃，空气， 20℃/min；

由空气氛围和氮气氛围中灼烧残留量的差值，计算得到炭黑含量（炭黑在氮气中不失重）

3、PET薄膜的TGA测试结果，热失重温度~430℃

4、弹性体类型的TGA测试

173℃主要是小分子助剂，如抗氧剂、pH指示剂、以及树脂中残留的小分子杂质；

294 ℃主要是软化剂（如环烷油、石蜡油、矿物油）以及其他助剂的失重峰；

350-400 ℃主要是部分增黏树脂的失重峰；

400~450 ℃主要是弹性体、合成树脂的失重；

600 ℃之后失重峰以及不失重的物质，主要来自填料、无机物、残炭等（此样品残留0.12%）。

核磁测试证明样品中含有SBS树脂和石油树脂

5、双酚A型聚碳酸酯粒子的TGA测试结果，热失重温度~480℃