【摘要】在熱重分析中，有許多影響測試結果的因素，其中升溫速率、試樣量、氣氛、試樣粒度、填充方式等是影響測試結果的重要因素。本文分析了以上影響因素產生的原因，并提出了克服這些因素對檢測曲線影響的有效措施和方法。

【關鍵詞】熱重分析；影響因素；升溫速率；TG曲線

引言：

隨著材料工業的不斷發展，熱分析技術已得到越來越廣泛的應用，在材料領域發揮著越來越重要的作用。熱重分析法是在程序控制溫度下測量物質質量與溫度關系的一種技術，其主要功能是觀察試樣重量隨測試溫度升高而發生的改變，從而得到試樣失重百分率、初始分解溫度（Ti）和終止溫度（Tf），以及試樣反應速率等信息。該測試方法的最大優點是定量性強，并能準確地測定出物質的起始分解溫度、分解速率，而且試樣用量少，分辨率高.。但熱重法在測試過程中受影響的因素較多，如氣氛流量、填充方式、試樣粒度、升溫速率以及試樣量的多少，這些因素都會影響測試結果。為得到比較理想的測試結果，必須要研究各種影響因素的特點，針對各因素的特點采用不同的解決方法，使負面因素的影響減小到最低限度，保證測試結果的準確性。

實驗結果與討論

1. 升溫速率

升溫速率是影響TG曲線的主要因素之一，其對熱分解的起始溫度、終止溫度和中間產物的檢出都有著較大的影響。升溫速率越慢，特別是對多步失重的樣品來說，分辨率就會提高，每步的失重過程就會在TG曲線上顯示的比較清晰，但最大的缺點就是測試太耗時。反之，升溫速率越快，在TG曲線上鄰近的兩個失重平臺區分越不明顯，如果試樣在加熱過程中生成中間產物，則在TG曲線上就很難檢出。此外，升溫速率如果快，試樣的起始分解溫度和終止分解溫度也會隨升溫速率的增大而提高，從而使反應曲線向高溫方向移動。這是由于升溫速率越大，所產生的熱滯后現象越嚴重而導致的。圖1為某有機物樣品在氮氣流量為20ml/min，升溫速率分別為10℃/min、20℃/min時的TG曲線。從圖中可以看出，隨著升溫速率的增大，反應的起始溫度和終止溫度也增高，TG曲線向高溫側移動，產生滯后現象。這是因為傳熱需要一定的時間，當升溫速率增加時，樣品內部不能及時升溫揮發和分解。

設置測試的升溫速率要根據客戶的測試目的及樣品的物理、化學性能而定。若是不了解其物化性能的樣品，應采用較快的升溫速率先測一次看其結果后再定待測樣品的升溫速率。而對于一些含能材料，由于其在一定溫度下會發生激烈反應，所以在試樣量較少的前提下，可適當提高升溫速率。總而言之，選擇合適的升溫速率是提高測試精度的一個關鍵因素。

圖1.不同升溫速率下的TG曲線

2. 試樣量

升溫速率相同，試樣用量越多，升溫過程中試樣內部的溫度差就越大。當發生分解反應時，若有吸熱或放熱現象，在反應過程中試樣的溫度偏差就越嚴重，從而引起的TG曲線畸變程度也越大；試樣量太多，試樣內部分解產生的氣體產物難以逸出，會阻礙反應的順暢進行。圖2為升溫速率在10℃/min，氮氣流量為20ml/min，某有機物樣品質量分別為5mg、10mg時測得的TG曲線。從圖中可以看出，隨著樣品量的增多，TG曲線向高溫方向移動，溫度區間變寬。這是因為試樣用量越大，試樣內部的溫度梯度越大，當其表面達到分解溫度后，要經過較長時間內部才能達到分解溫度，導致爐子的程序控溫與試樣內部溫度產生時間上的滯后，表現在TG曲線上就出現程序控溫比實際的熱分解溫度偏高，曲線向高溫方向偏移。同時，試樣用量也會影響逸出氣體在試樣粒子間的空隙向外的擴散速度。樣品的分解與氣體揮發是同時進行的，采用較大的樣品量時，熱分解反應會產生較多的氣體，這些氣體需要較長的揮發時間，樣品量的增加會增加氣體的擴散阻力，在試樣間隙和表面上形成一定分壓，進而影響樣品的分解，使樣品的分解溫度變高，從而使得TG曲線向高溫移動。

為了得到一條好的曲線，必須要掌握樣品的用量。根據實踐經驗，對于一些熱感度較低的物質，失重率低的物質，樣品用量可多些。而對于失重率高和反應比較劇烈的樣品，用量絕對不能多，一般應控制在0.5mg以下，否則不但會突然增重，引起曲線變形，重者還會損壞儀器。試樣用量的多少，應控制在熱重分析儀靈敏度范圍內。

圖2.不同樣品質量的TG曲線

3. 氣氛流量

熱重法通常可在靜態或動態氣氛下進行測試。在靜態氣氛下，雖然隨著溫度的升高，反應速度加快，但由于試樣周圍的氣體濃度增大，將阻止反應的繼續，使反應速度反而減慢。為了獲得重復性較好的試驗結果，多數情況下都是做動態氣氛下的熱分析，它可以將反應生成的氣體及時帶走，有利于反應的順利進行。同時氣流增加了爐內氣體的對流傳熱，導致試樣升溫及時，對程序升溫的反應時間縮短。

4. 試樣粒度

試樣粒度對熱傳導、氣體擴散有著較大的影響，例如，試樣粒度不同，對氣體產物擴散的影響也不同，因而會改變試樣的反應速度，進而改變TG曲線的形狀。試樣的晶粒大可能會產生燒爆作用，從而使TG曲線上出現突然失重。試樣粒度越小，達到溫度平衡也，越快，對于給定的溫度，分解程度也越大。一般說來，試樣粒度越小，初始分解溫度Ti和終止分解溫度Tf都相應降低，反應區間變窄，試樣顆粒度大往往得不到較好的TG曲線。為了得到較好的試驗結果，要求試樣粒度均勻。

5. 填充方式

實驗證明，試樣裝填方式對 TG 曲線也有影響。一般來說，試樣裝填越緊密，試樣顆粒間接觸越好，越有利于熱傳導，因而溫度滯后越小。但試樣裝填越緊密，越不利于氣氛向試樣內擴散，不利于氣氛與試樣顆粒的接觸，更嚴重的是阻礙了分解氣體產物的擴散和逸出，從而影響熱重分析的測試結果。

結論

本文探討了影響熱重分析結果的一些因素，目的在于在實際測量過程中，盡可能減小這些因素對TG曲線的影響，以提高熱重分析的測試質量。所以必須要加強對熱重分析技術的研究，發現產生熱重分析系統誤差的規律及其原因，并找到解決問題的方法。

參考文獻：

[1]馬俊、張玲、江志濤等.《影響熱重分析儀測試的幾種因素及解決方法探討》

[2]王淑勤、肖樂勤.《熱重分析曲線影響因素的研究與探索》

[3]刁靜人.《熱重分析結果的影響因素分析》

[4]宋軍、宋剛、汪麗等.《熱重法測試過程中的影響因素分析》

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