热分析(TGA、DSC)

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@小白创作中心

热分析(TGA、DSC)

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来源

https://www.bjhgyjs.cn/news/qitajiance/2025/0313/27758.html

热分析技术通过测量材料在受控温度程序下的物理化学变化，广泛应用于材料科学、制药、高分子及能源领域。以下是热重分析（TGA）和差示扫描量热法（DSC）的核心原理、检测项目及标准化操作流程：

一、热重分析（TGA, Thermogravimetric Analysis）

核心原理

测量参数：样品质量随温度/时间的变化（Δm/Δt）；
适用场景：分解温度、组分含量、热稳定性、吸附/解吸行为；
核心公式：质量损失率=m初始−m残留m初始×100%质量损失率=m初始 m初始 −m残留 ×100%

标准化检测流程
步骤操作要点参考标准
样品制备粉末样品510mg，均匀铺于坩埚底部 ASTM E1131-20
升温程序升温速率10℃/min（常规），范围RT1000℃ ISO 11358:2022
气氛控制惰性气体（N₂/Ar，流速50mL/min）或氧化气体（O₂） GB/T 33047-2016
数据分析失重台阶对应的温度区间、残留灰分比例 TA Universal Analysis 软件
典型应用案例

高分子材料：
分解温度（T_d）测定（失重5%对应温度）；
填料含量计算（如CaCO₃在聚合物中的残留量）。
电池材料：
电解液热稳定性评估（溶剂挥发与分解温度）；
正极材料氧化还原反应质量变化。

常见问题与解决方案
问题现象原因分析改进措施
基线漂移气流扰动或坩埚污染校准天平零点，使用高纯度坩埚（铂金/氧化铝）
台阶重叠多组分分解温度相近降低升温速率（2℃/min）或采用分阶段气氛切换
残留量异常样品飞溅或热解不完全减少样品量，增加终温保持时间（如1000℃×10min）

二、差示扫描量热法（DSC, Differential Scanning Calorimetry）

核心原理

测量参数：样品与参比物间的热流差（ΔQ/Δt）；
适用场景：熔融/结晶温度（T_m/T_c）、玻璃化转变（T_g）、反应焓变（ΔH）；
核心公式： ΔH=∫dQdt dt(单位：J/g)ΔH=∫dtdQ dt(单位：J/g)

标准化检测流程
步骤操作要点参考标准
样品封装密封于铝制坩埚（35mg），避免气泡 ISO 11357-1:2023
温度程序常规范围-90℃600℃，升温/降温速率10℃/min ASTM D3418-21
基线校准空坩埚运行相同程序，扣除背景热流 TA Instruments 标准流程
数据分析峰面积积分（熔融焓）、拐点法确定T_g Universal Analysis 软件
典型应用案例

聚合物表征：
熔融温度（T_m）与结晶度（X_c = ΔH_样品/ΔH_纯晶）；
固化反应动力学（如环氧树脂的放热峰分析）。
药物多晶型：
不同晶型的熔融峰识别（如阿司匹林晶型I与II）；
玻璃化转变温度（T_g）评估制剂稳定性。

常见问题与解决方案
问题现象原因分析改进措施
峰形不对称样品传热不均或过分解减少样品量，优化升温速率（5℃/min）
基线噪声大传感器污染或温度波动清洁传感器，增加恒温时间（如平衡5min）
T_g不明显非晶区比例低或测试范围不当扩大低温扫描范围（-150℃~200℃），提高灵敏度

三、TGA与DSC联合分析策略

联用场景分析方法应用示例
材料分解机制 TGA失重台阶 + DSC放热/吸热峰对应聚合物热氧化降解（TGA失重对应DSC放热峰）
吸附-相变耦合 TGA吸附量变化 + DSC相变焓变同步监测 MOFs材料的水吸附与结构转变分析
反应动力学 TGA质量变化速率 + DSC热流变化建模碳酸钙分解动力学（Coats-Redfern方程）