热重分析（TGA)

热重分析 (TGA)：精准追踪物质在热作用下的重量变化，解锁材料核心特性

热重分析 (Thermogravimetric Analysis， TGA) 是一种在程序控温（通常是升温，有时恒温或降温）和特定气氛（惰性如氮气、氩气，或活性如空气、氧气）条件下，连续、精确测量物质质量随温度或时间变化关系的核心热分析技术。其核心价值在于通过物质微小的重量变化，揭示材料在加热过程中的关键物理化学过程，是材料科学、化学、制药、环境、能源等领域不可或缺的分析工具。

检测项目：TGA 的核心应用领域

TGA 的核心优势就在于它能直接、定量地检测与质量变化相关的多种材料特性。以下是其最关键的检测项目和应用方向：

1. 热稳定性与分解行为：

   • 目的： 确定材料在加热过程中开始分解的温度、分解速率、分解结束温度以及最终残留量（灰分）。
   • 方法： 在惰性气氛（N₂, Ar）下升温，观察失重台阶。
   • 典型曲线特征： 清晰的失重台阶及其对应的温度区间。
   • 关键参数：
     • 起始分解温度 (Onset Temperature)： 材料开始明显失重的温度，表征热稳定性起点。
     • 最大失重速率温度 (T_max - DTG峰值温度)： 伴随TGA的DTG曲线（质量对时间的一阶导数）峰值对应的温度，反映分解最剧烈的温度点。
     • 失重百分比： 特定温度点或整个温度区间内损失的重量百分比。
     • 残留量/灰分含量： 最终高温下残留物质的百分比，对于高分子、食品、煤、矿物等非常重要。
   • 应用： 评估聚合物、药物、食品、煤炭、矿物、催化剂等的热稳定性极限和使用温度范围；筛选耐高温材料。

2. 组成分析与组分定量：

   • 目的： 确定多组分材料中各成分的含量（如水分、溶剂、增塑剂、聚合物基体、填料、无机物、碳黑等）。
   • 方法： 利用不同组分在不同温度区间具有不同的挥发性或分解特性进行区分。常结合气氛切换（如先惰性后氧化）。
   • 典型曲线特征： 多个失重台阶，每个台阶对应一个组分的损失。
   • 关键参数： 各失重台阶的失重百分比（直接对应组分含量）。
   • 应用：
     • 测定聚合物共混物中各聚合物组分的比例。
     • 测定复合材料中聚合物基体与无机填料（如玻璃纤维、碳酸钙、二氧化硅）的含量。
     • 评估橡胶中聚合物、碳黑和灰分的含量（ASTM D6370）。
     • 测定药物、食品、化工产品中的水分、溶剂残留量和挥发性成分。
     • 分析煤的挥发分和灰分。

3. 氧化行为与抗氧化性：

   • 目的： 研究材料在氧化性气氛（如空气、氧气）中的稳定性和氧化分解特性；评估抗氧化剂的效能。
   • 方法： 直接在氧化气氛下升温，或先在惰性气氛中热解，再切换到氧化气氛以燃烧残留的碳。
   • 典型曲线特征：
     • 纯氧化：失重台阶（有机组分氧化分解）。
     • 碳质材料：可能先有失重（挥发分逸出），后在氧化气氛下发生燃烧失重。某些金属或陶瓷在氧化气氛下可能增重（氧化膜形成）。
   • 关键参数：
     • 氧化起始温度： 材料开始发生明显氧化失重的温度。
     • 氧化诱导时间/温度 (OIT)： 恒温条件下，材料开始氧化所需的时间或温度，是衡量塑料（如聚烯烃）抗氧化性能的重要标准（ASTM D3895）。
     • 增重百分比： （对于某些金属/合金）氧化导致的增重量。
   • 应用： 评估润滑油、燃料、塑料、橡胶、金属涂层、碳纤维等的抗氧化性能和使用寿命；研究金属高温氧化动力学。

4. 吸附/解吸行为：

   • 目的： 研究材料对水分或其他挥发性物质的吸附能力以及脱附（干燥）行为。
   • 方法：
     • 干燥失重： 在惰性或干燥气氛下，以较低温度（如105-150°C）恒温或慢速升温，测量初始失重（主要是水分和易挥发溶剂）。
     • 吸附研究： 先将样品在高温干燥，冷却到特定温度并稳定后，通入目标蒸气（如水蒸气、有机蒸气），测量质量增加（吸附量）。
   • 典型曲线特征： 低温区（<150°C）的失重台阶（解吸）或平台期后的质量增加台阶（吸附）。
   • 关键参数： 特定条件下的吸附量或解吸量（质量变化百分比）。
   • 应用： 测定食品、药品、催化剂、干燥剂、建筑材料、土壤等的水分含量；研究多孔材料（如沸石、活性炭、MOFs）的吸附性能。

5. 分解反应动力学：

   • 目的： 研究材料分解反应的速率、机理（反应级数）并计算活化能 (Ea) 等动力学参数。
   • 方法： 通过分析不同升温速率下的TGA曲线，利用动力学模型（如Ozawa-Flynn-Wall法、Friedman法、Kissinger法）进行计算。
   • 关键参数： 活化能 Ea、指前因子 A、可能的反应机理函数。
   • 应用： 预测材料在特定温度下的长期稳定性或使用寿命；优化工艺条件（如聚合物加工温度）；深入了解化学反应机制。

6. 挥发物逸出与升华：

   • 目的： 检测材料中低沸点添加剂、单体残留、或材料本身的挥发性/升华性。
   • 方法： 在惰性气氛下升温，观察低温区的失重。
   • 典型曲线特征： 通常在较低温度（<300°C）出现的平滑或陡峭的失重台阶。
   • 关键参数： 失重起始温度、失重百分比、DTG峰值温度。
   • 应用： 评估塑料中增塑剂、稳定剂的挥发性；检测药物中溶剂残留；研究香精香料、农药的挥发性。

TGA 的典型应用领域：

• 材料研发与表征： 聚合物、橡胶、复合材料、陶瓷、金属、纳米材料、涂料、粘合剂等。
• 制药工业： 药物原料及制剂的水分/溶剂残留分析、纯度检查、多晶型研究、稳定性测试、赋形剂相容性研究。
• 食品科学： 水分含量测定、脂肪/灰分含量测定、热稳定性研究（烘培、油炸过程模拟）。
• 环境与能源： 煤/生物质热解/燃烧特性分析、废物热解/焚烧行为研究、催化剂失活/再生分析、电池材料热稳定性评估。
• 化工： 化学品纯度、热稳定性、添加剂含量测定、反应过程研究。
• 地质与矿物： 矿物成分分析（如粘土脱水、碳酸盐分解）、土壤有机质含量测定、化石燃料分析。
• 电子： 电子化学品（焊膏、助焊剂、光刻胶）挥发性成分分析、封装材料热稳定性测试。

解读 TGA 数据的关键：

• TGA 曲线 (质量% vs. 温度/时间)： 直接显示质量变化过程。
• DTG 曲线 (dm/dt vs. 温度/时间)： 极其重要！ 质量变化速率曲线，能更灵敏地识别失重/增重事件的起始点、峰值（最大速率点）和终点，并分辨重叠的热事件。
• 气氛： 所用气体的类型（N₂, Air, O₂, CO₂等）对结果有决定性影响。
• 升温速率： 影响曲线形状（台阶陡峭度、温度滞后）和测得的特征温度值。动力学研究通常需要多速率实验。
• 样品特性： 样品量、颗粒大小、堆积密度会影响传热传质，从而影响结果。

总结：

热重分析 (TGA) 凭借其直接、定量测量物质在受热过程中质量变化的独特能力，成为解决众多材料科学与工程问题的强大工具。其核心价值体现在对热稳定性、组分含量、氧化行为、吸附/解吸特性、挥发物含量以及分解反应动力学等关键项目的精准检测上。通过解读TGA及其导数(DTG)曲线，结合实验条件（气氛、升温速率），科学家和工程师能够深入理解材料在热作用下的行为，为材料设计、工艺优化、质量控制、失效分析以及安全评估提供必不可少的数据支持。无论是在基础研究还是工业应用中，TGA都是解锁材料热性能奥秘的一把关键钥匙。