热重分析(TGA)是以恒定速度加热试样，同时连续地测定试样失重的一种动态方法。此外，也可在恒定温度下，将失重作为时间的函数进行测定。应用TGA可以研究各种气氛下高聚物的热稳定性和热分解作用，测定水分、挥发物和残渣，增塑剂的挥发性，水解和吸湿性，吸附和解吸，气化速度和气化热；升华速度和升华热，氧化降解，缩聚高聚物的固化程度，有填料的高聚物或掺和物的组成，它还可以研究固相反应。因为高聚物的热谱图具有一定的特征性，它也可作为鉴定之用。

1. 实验目的

   （1）了解热重分析法在高分子领域的应用。

   （2）掌握热重分析仪的工作原理及其操作方法，学会用热重分析法测定聚合物的热分解温度Td。

2. 实验原理 

热重分析法(thermogravimetric analysis，TGA)是在程序控温下，测量物质的质量与温度关系的一种技术。现代热重分析仪一般由4部分组成，分别是电子天平、加热炉、程序控温系统和数据处理系统(微计算机)。通常，TGA谱图是由试样的质量残余率Y(％)对温度T的曲线(称为热重曲线，TG)和/或试样的质量残余率Y(％)随时间的变化率dY/dt(%/min)对温度T的曲线(称为微商热重法，DTG)组成，见图2－40。

温度/℃

图2－40  TGA谱图

开始时，由于试样残余小分子物质的热解吸，试样有少量的质量损失，损失率为(100－Y1)％；经过一段时间的加热后，温度升至T1，试样开始出现大量的质量损失，直至T2，损失率达(Y1－Y2)％；在T2到T3阶段，试样存在着其他的稳定相；然后，随着温度的继续升高，试样再进一步分解。图2－40中T1称为分解温度，有时取C点的切线与AB延长线相交处的温度T1′作为分解温度，后者数值偏高。

TGA在高分子科学中有着广泛的应用。例如，高分子材料热稳定性的评定，共聚物和共混物的分析，材料中添加剂和挥发物的分析，水分(含湿量)的测定，材料氧化诱导期的测定，固化过程分析以及使用寿命的预测等。

正如其他分析方法一样，热重分析法的实验结果也受到一些因素的影响，加之温度的动态特性和天平的平衡特性，使影响TG曲线的因素更加复杂，但基本上可以分为两类；

（1）仪器因素  升温速率、气氛、支架、炉子的几何形状、电子天平的灵敏度以及坩埚材料。

（2）样品因素  样品量、反应放出的气体在样品中的溶解性、粒度、反应热、样品装填、导热性等。

3. 实验设备和材料

（1）仪器

德国NETZSCH  STA449C型热重分析仪(见图2－41和图2－42所示)。仪器的称量范围500mg；精度1μg；温度范围20～1650℃；加热速率0.1～80K/min；样品气氛可为真空10Pa或惰性气体和反应气体(无毒、非易燃)。

 图2－41  STA 449C型热重分析仪 图2－42  STA 449C型热重分析透视图

  （2）试样

本试验使用聚乙烯。

4. 实验步骤 

（1）提前1h检查恒温水浴的水位，保持液面低于顶面2cm。打开面板上的上下两个电源，启动运行，并检查设定的工作模式，设定的温度值应比环境温度约高3℃。

（2）按顺序依次打开显示器、电脑主机、仪器测量单元、控制器以及测量单元上电子天平的电源开关。

（3）确定实验用的气体(一般为N2)，调节输出压力(0.05～0.1MPa)，在测量单元上手动测试气路的通畅，并调节好相应的流量。

    （4）从电脑桌面上打开STA 449测量软件。打开炉盖，确认炉体的支架不会碰壁时，按面板上的“UP”键，将其升起，放入选好的空坩埚，确认空坩埚在炉体支架上的中心位置后，按面板上的“DOWN”键，将其降下，并盖好炉盖。

    （5）新建基线文件：打开一个空白文件，选择“修正”，打开温度校正文件，编程(输入起始温度、终止温度和升温速率)，运行。

    （6）TG曲线的测量：待上一程序正常结束并冷却至80℃以下时，打开炉子，取出坩埚(同样要注意支架的中心位置)。放入约5mg样品，称重(仪器自动给出)。然后打开基线文件，选择基线加样品的测量模式，编程运行。

    （7）数据处理：程序正常结束后会自动存储，可打开分析软件包对结果进行数据处理，处理完好可保存为另一种类型的文件。

    （8）待温度降至80℃以下时，打开炉盖，拿出坩埚。

    （9）按顺序依次关闭软件和退出操作系统，关闭电脑主机和测量单元电源。

   （10）关闭恒温水浴面板上的运行开关和上下两个电源开关，最后及时清理坩埚和实验室台面。

5. 实验处理

  打印TGA谱图，求出试样的分解温度Td。

6. 问题与讨论

（1）TGA实验结果的影响因素有哪些？

（2）讨论TGA在高分子学科的主要应用有哪些？下载本文