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詳解熱重分析中的升溫法與恒溫法

來源：時間：2025-02-26 10:00:18 瀏覽：3366次

詳解熱重分析中的升溫法與恒溫法

熱重分析（Thermogravimetry Analysis，簡稱TG或TGA）是一種重要的熱力學(xué)檢測方法，它通過測量物質(zhì)在加熱或冷卻過程中的質(zhì)量變化，來揭示其物理或化學(xué)變化的過程。

在熱重分析中，升溫法與恒溫法是兩種常用的實(shí)驗(yàn)方法：

一、升溫法

升溫法，也被稱為動態(tài)法，是熱重分析中最常用的方法之一。其基本原理是在程序控制的溫度條件下，對樣品進(jìn)行等速加熱，同時記錄樣品質(zhì)量隨溫度或時間的變化。隨著溫度的升高，樣品會發(fā)生物理和化學(xué)變化，如升華、汽化、分解等，導(dǎo)致質(zhì)量的變化。通過分析這些質(zhì)量變化，可以了解樣品的熱穩(wěn)定性、分解行為以及可能的化學(xué)反應(yīng)過程。

1. 實(shí)驗(yàn)步驟

（1）制樣：根據(jù)樣品的性質(zhì)選擇合適的坩堝，并將樣品均勻鋪展在坩堝底部。樣品的量通常較少，一般為2~5mg，以避免傳質(zhì)阻力和熱效應(yīng)對實(shí)驗(yàn)結(jié)果的影響。

（2）設(shè)定溫度程序：在熱重分析儀的軟件中設(shè)定升溫速率、最高溫度以及保持時間等參數(shù)。升溫速率的選擇應(yīng)根據(jù)樣品的性質(zhì)和實(shí)驗(yàn)?zāi)康膩泶_定，常用的升溫速率一般為10℃/min。

（3）開始測量：初始化工作條件，如氣體流量、抽真空等，然后開始加熱并記錄樣品質(zhì)量隨溫度或時間的變化。

2. 影響因素

（1）升溫速率：升溫速率對熱重曲線有顯著影響。升溫速率過快可能導(dǎo)致曲線向高溫側(cè)偏移，同時降低曲線的分辨率，丟失某些中間產(chǎn)物的信息。而升溫速率過慢則可能降低實(shí)驗(yàn)效率。

（2）浮力作用：隨著溫度的升高，樣品周圍的氣體膨脹，比重降低，導(dǎo)致浮力減小，使樣品表觀增重。這可以通過做空白試驗(yàn)（空載熱重實(shí)驗(yàn)）來消除表觀增重的影響。

（3）對流影響：對流現(xiàn)象可能使測量結(jié)果產(chǎn)生波動。為了減少對流的影響，可以采取適當(dāng)?shù)拇胧﹣矸€(wěn)定氣氛和溫度。

（4）揮發(fā)物冷凝：分解產(chǎn)物從樣品中揮發(fā)出來后，可能會在低溫處再冷凝。如果冷凝在吊式坩堝上，會造成測得失重結(jié)果偏低。而當(dāng)溫度進(jìn)一步升高時，冷凝物再次揮發(fā)會產(chǎn)生假失重，使熱重曲線變形。這可以通過加大氣體的流速來避免。

3. 應(yīng)用領(lǐng)域

升溫法廣泛應(yīng)用于塑料、橡膠、涂料、藥品、催化劑、無機(jī)材料、金屬材料與復(fù)合材料等各領(lǐng)域的研究開發(fā)、工藝優(yōu)化與質(zhì)量監(jiān)控。通過升溫法可以獲得樣品的熱穩(wěn)定性數(shù)據(jù)、分解溫度以及分解產(chǎn)物的信息，為材料的改性、配方優(yōu)化以及生產(chǎn)工藝的改進(jìn)提供有力支持。

二、恒溫法

恒溫法，也被稱為靜態(tài)法，是另一種熱重分析的實(shí)驗(yàn)方法。其基本原理是在恒定的溫度下，記錄樣品質(zhì)量隨時間的變化。通過這種方法可以觀察樣品在特定溫度下的質(zhì)量變化情況，進(jìn)而了解其物理或化學(xué)變化的過程。

1. 實(shí)驗(yàn)步驟

（1）制樣：與升溫法相同，根據(jù)樣品的性質(zhì)選擇合適的坩堝并將樣品均勻鋪展在坩堝底部。

（2）設(shè)定溫度：在熱重分析儀的軟件中設(shè)定恒溫溫度以及保持時間等參數(shù)。恒溫溫度的選擇應(yīng)根據(jù)樣品的性質(zhì)和實(shí)驗(yàn)?zāi)康膩泶_定。

（3）開始測量：初始化工作條件后開始加熱至設(shè)定溫度并保持恒定，同時記錄樣品質(zhì)量隨時間的變化。

2. 影響因素

（1）溫度穩(wěn)定性：恒溫法的準(zhǔn)確性取決于溫度的穩(wěn)定性和控制精度。如果溫度波動較大，會導(dǎo)致測量結(jié)果的不準(zhǔn)確。

（2）氣氛影響：與升溫法相同，熱天平周圍氣氛的改變對恒溫法的實(shí)驗(yàn)結(jié)果也有顯著影響。因此，在選擇氣氛時需要謹(jǐn)慎考慮其對樣品的影響。

（3）樣品性質(zhì)：樣品的性質(zhì)如粒度、形狀等也會影響恒溫法的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。為了獲得準(zhǔn)確的結(jié)果，需要對樣品進(jìn)行適當(dāng)?shù)奶幚砗椭苽洹?/span>

3. 應(yīng)用限制

相比升溫法而言，恒溫法的應(yīng)用受到一定限制。因?yàn)楹銣胤ㄖ荒苡^察樣品在特定溫度下的質(zhì)量變化情況而無法獲得整個溫度范圍內(nèi)的熱穩(wěn)定性數(shù)據(jù)。此外，對于一些在較低溫度下就開始發(fā)生變化的樣品而言，恒溫法可能無法準(zhǔn)確捕捉到其質(zhì)量變化的起始點(diǎn)。

三、比較

1. 實(shí)驗(yàn)效率

升溫法可以在較短的時間內(nèi)獲得樣品在整個溫度范圍內(nèi)的質(zhì)量變化情況因此實(shí)驗(yàn)效率較高。而恒溫法則需要較長時間來保持恒定溫度并觀察樣品的質(zhì)量變化情況因此實(shí)驗(yàn)效率相對較低。

2. 信息獲取量

升溫法可以獲得樣品在整個溫度范圍內(nèi)的熱穩(wěn)定性數(shù)據(jù)、分解溫度以及分解產(chǎn)物的信息等因此信息獲取量較大。而恒溫法則只能觀察樣品在特定溫度下的質(zhì)量變化情況因此信息獲取量相對較少。

3. 適用范圍

升溫法適用于大多數(shù)樣品的熱重分析特別是對于那些在較寬溫度范圍內(nèi)發(fā)生變化的樣品而言更為適用。而恒溫法則更適用于對樣品在特定溫度下的質(zhì)量變化情況進(jìn)行觀察和研究。

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