現(xiàn)代材料分析測(cè)試技術(shù)熱重分析法TGA講解課件

熱重分析法（ＴＧＡ）

---ThermogravimetricAnalyzer熱重分析法（ＴＧＡ）1TGA定義

熱重分析法是在程序控溫下測(cè)量物質(zhì)的質(zhì)量與溫度關(guān)系的一種技術(shù)。物質(zhì)的質(zhì)量溫度程序控溫下G=f(T)熱降解熱氧降解降解動(dòng)力學(xué)TGA定義

熱重分析法是在程序控溫下測(cè)量物質(zhì)的質(zhì)量與溫度關(guān)2TGA儀器結(jié)構(gòu)與測(cè)量原理平衡砝碼盤(pán)微電流放大器光源擋板光電管加熱器磁鐵感應(yīng)線圈支架梁樣品盤(pán)熱電偶TGA儀器結(jié)構(gòu)與測(cè)量原理平衡砝碼盤(pán)微電流放大器光源擋板光電管3影響TGA實(shí)驗(yàn)結(jié)果的因素1.樣品盤(pán)的影響:樣品盤(pán)一般為惰性材料（鉑、陶瓷等）

注意：堿性試樣不能用石英或陶瓷樣品盤(pán)；鉑對(duì)許多有機(jī)化合物和某些無(wú)機(jī)化合物有催化作用。2.升溫速率的影響：升溫速率越大，所得特征溫度越高3.氣氛的影響：一般采用動(dòng)態(tài)氣氛，熱降解用氮?dú)猓瑹嵫踅到庥每諝饣蜓鯕庥绊慣GA實(shí)驗(yàn)結(jié)果的因素1.樣品盤(pán)的影響:樣品盤(pán)一般為惰性材4TG在聚合物研究中的應(yīng)用TG在聚合物研究中的應(yīng)用5比較不同高聚物的相對(duì)熱穩(wěn)定性

五種聚合物的TGA曲線比較不同高聚物的相對(duì)熱穩(wěn)定性

五種聚合物的TGA曲線6實(shí)驗(yàn)條件同一熱失重儀上PI>PTFE>HDPE>PMMA>PVC.分解溫度順序?yàn)椋合嗤瑴y(cè)試條件溫度范圍：室溫~800oC；升溫速率：10oC/min；流動(dòng)N2保護(hù)實(shí)驗(yàn)條件同一熱失重儀上PI>PTFE>HDPE>PMMA>P7聚酰亞胺（PI--Polyimide)的結(jié)構(gòu)NCCOONCCOOCH2nPI分子結(jié)構(gòu)中含有大量芳雜環(huán)，因而其熱穩(wěn)定性很好；長(zhǎng)期使用溫度可達(dá)到250oC，短期使用溫度可達(dá)到450oC聚酰亞胺（PI--Polyimide)的結(jié)構(gòu)NCCOONCC8聚四氟乙烯（PTFE）1.鍵能:C-F:485.3>C-H:414.2(kJ/mol)2.聚四氟乙烯分子中CF2單元按鋸齒形狀排列，由于氟原子半徑較氫稍大，所以相鄰的CF2單元不能完全按反式交叉取向，而是形成一個(gè)螺旋狀的扭曲鏈，氟原子幾乎覆蓋了整個(gè)高分子鏈的表面/post/ptfe-properties-and-applications.html(CC)FFFFn(CC)HHHH聚四氟乙烯（PTFE）(CC)FFFFn(C9聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）(CC)HCH3HCnOOCH3聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）(CC)HCH3HCn10PVC熱穩(wěn)定性最差，這是由它特殊的分子結(jié)構(gòu)所決定的：PVC中的Cl原子與H原子形成了氫鍵，因?yàn)闅滏I的作用力較弱，因而在較低溫度就可斷裂。聚氯乙烯（PVC）(CC)HClHHnPVC熱穩(wěn)定性最差，這是由它特殊的分子結(jié)構(gòu)所決定的：PV11PVC分解分兩個(gè)階段的原因420oC左右。由于PVC主鏈斷裂引起。(兩個(gè)相互競(jìng)爭(zhēng)的反應(yīng)(分子內(nèi)環(huán)化反應(yīng)和分子間交聯(lián)反應(yīng))第一階段：200oC~300oC之間由于大分子鏈脫HCl引起。第二階段：PVC分解分兩個(gè)階段的原因420oC左右。由于PVC主鏈斷裂122增重現(xiàn)象的研究2增重現(xiàn)象的研究133.材料成分分析

聚合物中的添加劑和雜質(zhì)可分為兩類：一類是揮發(fā)性物質(zhì)，如水和增塑劑等，它們由于分子量低，一般在樹(shù)脂分解之前就已分解掉；另一類是無(wú)機(jī)填料，如SiO2、碳纖維等，它們熱穩(wěn)定性很高，一般在基體樹(shù)脂分解以后仍然殘留因此可以根據(jù)各組分失重量計(jì)算出它們?cè)跇悠分械陌俜趾俊?.材料成分分析聚合物中的添加劑和雜質(zhì)可分為兩類：一類是揮14SiO2和碳黑填充聚四氟乙烯的TG曲線SiO2和碳黑填充聚四氟乙烯的TG曲線154.研究聚合物的固化過(guò)程酚醛樹(shù)脂等溫固化曲線

4.研究聚合物的固化過(guò)程酚醛樹(shù)脂等溫固化曲線16酚醛樹(shù)脂固化過(guò)程中生成小分子H2O脫水失重量最多的固化溫度最佳的固化溫度酚醛樹(shù)脂固化過(guò)程中生成小分子H2O脫水失重量最佳的固化溫度175.材料熱老化壽命的估算ln=a/T+b

-失重10%所需時(shí)間T-溫度例：化纖助劑215oC和236oC恒溫失重，失重10%所需時(shí)間分別為282.4min,64min，代入上式，得ln=7.624×103.1/T-13.172由上式可得任何溫度時(shí)的熱壽命5.材料熱老化壽命的估算ln186.聚合物熱降解和熱氧降解動(dòng)力學(xué)研究6.聚合物熱降解和熱氧降解動(dòng)力學(xué)研究19熱分析聯(lián)用技術(shù)DTA-TGA聯(lián)用DSC-TGA聯(lián)用高溫裂解質(zhì)譜-TGA聯(lián)用IR-TGA聯(lián)用熱分析聯(lián)用技術(shù)DTA-TGA聯(lián)用20LDPE（LLDPE）具有優(yōu)異的柔韌性和延展性，廣泛應(yīng)用于吹塑薄膜、制造器皿、擠出管材等。其主要缺點(diǎn)是剛性較差、軟化點(diǎn)較低等。納米SiO2是一種新型無(wú)機(jī)填料，具有特殊納米尺寸效應(yīng)和表面界面效應(yīng)。納米SiO2與LDPE填充共混可提高基體的模量，熱穩(wěn)定性和改善基體的保溫性綜合實(shí)例：納米SiO2填充LLDPE復(fù)合材料的熱穩(wěn)定性和熱氧穩(wěn)定性研究

LDPE（LLDPE）具有優(yōu)異的柔韌性和延展性，廣泛應(yīng)用于吹21熱穩(wěn)定性

Fig.1TGthermogramsofLLDPEfilledwithdifferentnano-SiO2content(nitrogenatmosphere)1:LLDPE2:U13:U24:U3熱穩(wěn)定性Fig.1TGthermogramsof22基體熱穩(wěn)定性提高的原因：（1）納米SiO2的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)對(duì)LLDPE的熱降解起著阻礙作用。（2）納米剛性粒子影響基體的熱傳導(dǎo)，致使熱降解滯后?；w熱穩(wěn)定性提高的原因：23熱氧穩(wěn)定性TGthermogramsofLLDPEfilledwithdifferentnano-SiO2content(airatmosphere)1:LLDPE2:U13:U24:U3熱氧穩(wěn)定性TGthermogramsofLLDPE24基體熱氧穩(wěn)定性提高的原因

由于納米SiO2比表面積大，表面活性高，孔體積大，對(duì)抗氧劑的吸附作用顯著，控制釋放作用較強(qiáng)所致。吸附與控制釋放作用導(dǎo)致抗氧劑的活性降低，試樣的熱氧穩(wěn)定性顯著提高基體熱氧穩(wěn)定性提高的原因由于納米SiO2比表面積大，表25熱重分析法（ＴＧＡ）

---ThermogravimetricAnalyzer熱重分析法（ＴＧＡ）26TGA定義

熱重分析法是在程序控溫下測(cè)量物質(zhì)的質(zhì)量與溫度關(guān)系的一種技術(shù)。物質(zhì)的質(zhì)量溫度程序控溫下G=f(T)熱降解熱氧降解降解動(dòng)力學(xué)TGA定義

熱重分析法是在程序控溫下測(cè)量物質(zhì)的質(zhì)量與溫度關(guān)27TGA儀器結(jié)構(gòu)與測(cè)量原理平衡砝碼盤(pán)微電流放大器光源擋板光電管加熱器磁鐵感應(yīng)線圈支架梁樣品盤(pán)熱電偶TGA儀器結(jié)構(gòu)與測(cè)量原理平衡砝碼盤(pán)微電流放大器光源擋板光電管28影響TGA實(shí)驗(yàn)結(jié)果的因素1.樣品盤(pán)的影響:樣品盤(pán)一般為惰性材料（鉑、陶瓷等）

注意：堿性試樣不能用石英或陶瓷樣品盤(pán)；鉑對(duì)許多有機(jī)化合物和某些無(wú)機(jī)化合物有催化作用。2.升溫速率的影響：升溫速率越大，所得特征溫度越高3.氣氛的影響：一般采用動(dòng)態(tài)氣氛，熱降解用氮?dú)猓瑹嵫踅到庥每諝饣蜓鯕庥绊慣GA實(shí)驗(yàn)結(jié)果的因素1.樣品盤(pán)的影響:樣品盤(pán)一般為惰性材29TG在聚合物研究中的應(yīng)用TG在聚合物研究中的應(yīng)用30比較不同高聚物的相對(duì)熱穩(wěn)定性

五種聚合物的TGA曲線比較不同高聚物的相對(duì)熱穩(wěn)定性

五種聚合物的TGA曲線31實(shí)驗(yàn)條件同一熱失重儀上PI>PTFE>HDPE>PMMA>PVC.分解溫度順序?yàn)椋合嗤瑴y(cè)試條件溫度范圍：室溫~800oC；升溫速率：10oC/min；流動(dòng)N2保護(hù)實(shí)驗(yàn)條件同一熱失重儀上PI>PTFE>HDPE>PMMA>P32聚酰亞胺（PI--Polyimide)的結(jié)構(gòu)NCCOONCCOOCH2nPI分子結(jié)構(gòu)中含有大量芳雜環(huán)，因而其熱穩(wěn)定性很好；長(zhǎng)期使用溫度可達(dá)到250oC，短期使用溫度可達(dá)到450oC聚酰亞胺（PI--Polyimide)的結(jié)構(gòu)NCCOONCC33聚四氟乙烯（PTFE）1.鍵能:C-F:485.3>C-H:414.2(kJ/mol)2.聚四氟乙烯分子中CF2單元按鋸齒形狀排列，由于氟原子半徑較氫稍大，所以相鄰的CF2單元不能完全按反式交叉取向，而是形成一個(gè)螺旋狀的扭曲鏈，氟原子幾乎覆蓋了整個(gè)高分子鏈的表面/post/ptfe-properties-and-applications.html(CC)FFFFn(CC)HHHH聚四氟乙烯（PTFE）(CC)FFFFn(C34聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）(CC)HCH3HCnOOCH3聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）(CC)HCH3HCn35PVC熱穩(wěn)定性最差，這是由它特殊的分子結(jié)構(gòu)所決定的：PVC中的Cl原子與H原子形成了氫鍵，因?yàn)闅滏I的作用力較弱，因而在較低溫度就可斷裂。聚氯乙烯（PVC）(CC)HClHHnPVC熱穩(wěn)定性最差，這是由它特殊的分子結(jié)構(gòu)所決定的：PV36PVC分解分兩個(gè)階段的原因420oC左右。由于PVC主鏈斷裂引起。(兩個(gè)相互競(jìng)爭(zhēng)的反應(yīng)(分子內(nèi)環(huán)化反應(yīng)和分子間交聯(lián)反應(yīng))第一階段：200oC~300oC之間由于大分子鏈脫HCl引起。第二階段：PVC分解分兩個(gè)階段的原因420oC左右。由于PVC主鏈斷裂372增重現(xiàn)象的研究2增重現(xiàn)象的研究383.材料成分分析

聚合物中的添加劑和雜質(zhì)可分為兩類：一類是揮發(fā)性物質(zhì)，如水和增塑劑等，它們由于分子量低，一般在樹(shù)脂分解之前就已分解掉；另一類是無(wú)機(jī)填料，如SiO2、碳纖維等，它們熱穩(wěn)定性很高，一般在基體樹(shù)脂分解以后仍然殘留因此可以根據(jù)各組分失重量計(jì)算出它們?cè)跇悠分械陌俜趾俊?.材料成分分析聚合物中的添加劑和雜質(zhì)可分為兩類：一類是揮39SiO2和碳黑填充聚四氟乙烯的TG曲線SiO2和碳黑填充聚四氟乙烯的TG曲線404.研究聚合物的固化過(guò)程酚醛樹(shù)脂等溫固化曲線

4.研究聚合物的固化過(guò)程酚醛樹(shù)脂等溫固化曲線41酚醛樹(shù)脂固化過(guò)程中生成小分子H2O脫水失重量最多的固化溫度最佳的固化溫度酚醛樹(shù)脂固化過(guò)程中生成小分子H2O脫水失重量最佳的固化溫度425.材料熱老化壽命的估算ln=a/T+b

-失重10%所需時(shí)間T-溫度例：化纖助劑215oC和236oC恒溫失重，失重10%所需時(shí)間分別為282.4min,64min，代入上式，得ln=7.624×103.1/T-13.172由上式可得任何溫度時(shí)的熱壽命5.材料熱老化壽命的估算ln436.聚合物熱降解和熱氧降解動(dòng)力學(xué)研究6.聚合物熱降解和熱氧降解動(dòng)力學(xué)研究44熱分析聯(lián)用技術(shù)DTA-TGA聯(lián)用DSC-TGA聯(lián)用高溫裂解質(zhì)譜-TGA聯(lián)用IR-TGA聯(lián)用熱分析聯(lián)用技術(shù)DTA-TGA聯(lián)用45LDPE（LLDPE）具有優(yōu)異的柔韌性和延展性，廣泛應(yīng)用于吹塑薄膜、制造器皿、擠出管材等。其主要缺點(diǎn)是剛性較差、軟化點(diǎn)較低等。納米SiO2是一種新型無(wú)機(jī)填料，具有特殊納米尺寸效應(yīng)和表面界面效應(yīng)。納米SiO2與LDPE填充共混可提高基體的模量，熱穩(wěn)定性和改善基體的保溫性綜合實(shí)例：納米SiO2填充LLDPE復(fù)合材料的熱穩(wěn)定性和熱氧穩(wěn)定性研究

LDPE（LLDPE）具有優(yōu)異的柔韌性和延展性，廣泛應(yīng)用于吹46熱穩(wěn)定性

Fig.1TGthermogramsofLLDPEfilledwithdifferentnano-SiO2content(nitrogenatmosphere)1:LLDPE2:U13:U24:U3熱穩(wěn)定性Fig.1TGthermogramsof47基體熱穩(wěn)定性提高的原因：（1）納米SiO2的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)對(duì)LLDPE的熱降解起著阻礙作用。（2）納米剛性粒子影響基體的熱傳導(dǎo)，致使熱降解滯后。基體熱穩(wěn)定性提高的原因：48熱氧穩(wěn)定性T