DTG曲線(xiàn)的特點(diǎn)是，它能準確反映出每個(gè)失重階段的起始反應溫度，反應速率溫度和反應終止溫度；DTG曲線(xiàn)上各峰的面積與TG曲線(xiàn)上對應的樣品失重量成正比；當TG曲線(xiàn)對某些受熱過(guò)程出現的臺階不明顯時(shí)，利用DTG曲線(xiàn)能明顯的區分開(kāi)來(lái)。熱重法的主要特點(diǎn)，是定量性強，能準確地測量物質(zhì)的質(zhì)量變化及變化的速率。根據這一特點(diǎn)，可以說(shuō)，只要物質(zhì)受熱時(shí)發(fā)生質(zhì)量的變化，都可以用熱重法來(lái)研究。圖中給出可用熱重法來(lái)檢測的物理變化和化學(xué)變化過(guò)程。我們可以看出，這些物理變化和化學(xué)變化都是存在著(zhù)質(zhì)量變化的，如升華、汽化、吸附、解吸、吸收和氣固反應等。但象熔融、結晶和玻璃化轉變之類(lèi)的熱行為，樣品沒(méi)有質(zhì)量變化，熱重分析方法就幫不上忙了。

熱重法測定的結果與實(shí)驗條件有關(guān)，為了得到準確性和重復性好的熱重曲線(xiàn)，我們有必要對各種影響因素進(jìn)行仔細分析。影響熱重測試結果的因素，基本上可以分為三類(lèi)：儀器因素、實(shí)驗條件因素和樣品因素。儀器因素包括氣體浮力和對流、坩堝、揮發(fā)物冷凝、天平靈敏度、樣品支架和熱電偶等。對于給定的熱重儀器，天平靈敏度、樣品支架和熱電偶的影響是固定不變的，我們可以通過(guò)質(zhì)量校正和溫度校正來(lái)減少或消除這些系統誤差。

氣體浮力和對流的影響

氣體浮力的影響：氣體的密度與溫度有關(guān)，隨溫度升高，樣品周?chē)臍怏w密度發(fā)生變化，從而氣體的浮力也發(fā)生變化。所以，盡管樣品本身沒(méi)有質(zhì)量變化，但由于溫度的改變造成氣體浮力的變化，使得樣品呈現隨溫度升高而質(zhì)量增加，這種現象稱(chēng)為表觀(guān)增重。表觀(guān)增重量可用公式進(jìn)行計算。式中p為氣體在273K時(shí)的密度，V為樣品坩堝和支架的體積。

對流的影響：它的產(chǎn)生，是常溫下，試樣周?chē)臍怏w受熱變輕形成向上的熱氣流，作用在熱天平上，引起試樣的表觀(guān)質(zhì)量損失。

措施：為了減少氣體浮力和對流的影響，試樣可以選擇在真空條件下進(jìn)行測定，或選用臥式結構的熱重儀進(jìn)行測定。

坩堝的影響

大小和形狀：坩堝的大小與試樣量有關(guān)，直接影響試樣的熱傳導和熱擴散；坩堝的形狀則影響試樣的揮發(fā)速率。因此，通常選用輕巧、淺底的坩堝，可使試樣在堝底攤成均勻的薄層，有利于熱傳導、熱擴散和揮發(fā)。

坩堝的材質(zhì)：通常應該選擇對試樣、中間產(chǎn)物、終產(chǎn)物和氣氛沒(méi)有反應活性和催化活性的惰性材料，如Pt、Al2O3等。

揮發(fā)物冷凝的影響

樣品受熱分解、升華、逸出的揮發(fā)性物質(zhì)，往往會(huì )在儀器的低溫部分冷凝。這不僅污染儀器，而且使測定結果出現偏差。若揮發(fā)物冷凝在樣品支架上，則影響嚴重，隨溫度升高，冷凝物可能再次揮發(fā)產(chǎn)生假失重，使TG曲線(xiàn)變形。

為減少揮發(fā)物冷凝的影響，可在坩堝周?chē)惭b耐熱屏蔽套管；采用水平結構的天平；在天平靈敏度范圍內，盡量減少樣品用量；選擇合適的凈化氣體流量。實(shí)驗前，對樣品的分解情況有初步估計，防止對儀器的污染。

實(shí)驗條件因素包括升溫速率和氣氛的影響

升溫速率的影響：

升溫速率對熱重曲線(xiàn)影響的較大，升溫速率越高，產(chǎn)生的影響就越大。因為樣品受熱升溫是通過(guò)介質(zhì)-坩堝-樣品進(jìn)行熱傳遞的，在爐子和樣品坩堝之間可形成溫差。升溫速率不同，爐子和樣品坩堝間的溫差就不同，導致測量誤差。一般在升溫速率為5和10℃/min時(shí)產(chǎn)生的影響較小。

升溫速率對樣品的分解溫度有影響。升溫速率快，造成熱滯后大，分解起始溫度和終止溫度都相應升高。

圖中所示是采用不同升溫速率測得的熱重曲線(xiàn)，取失重20％時(shí)的溫度作比較，可見(jiàn)，慢速升溫時(shí)，試樣的分解溫度低，而快速升溫時(shí)，試樣的分解溫度高。用1℃/min和20℃/min測得的分解溫度相差達70℃。實(shí)驗中，我們一般選擇5和10℃/min的升溫速率。

升溫速率不同，可導致熱重曲線(xiàn)的形狀改變。升溫速率快，往往不利于中間產(chǎn)物的檢出，使熱重曲線(xiàn)的拐點(diǎn)不明顯。升溫速率慢，可以顯示熱重曲線(xiàn)的全過(guò)程。一般來(lái)說(shuō)，升溫速率為5和10℃/min時(shí)，對熱重曲線(xiàn)的影響不太明顯。

升溫速率可影響熱重曲線(xiàn)的形狀和試樣的分解溫度，但不影響失重量。

慢速升溫可以研究樣品的分解過(guò)程，但我們不能武斷地認為快速升溫總是有害的。要看具體的實(shí)驗條件和目的。當樣品量很小時(shí)，快速升溫能檢查出分解過(guò)程中形成的中間產(chǎn)物，而慢速升溫則不能達到此目的。

氣氛的影響：

氣氛對熱重實(shí)驗結果也有影響，它可以影響反應性質(zhì)、方向、速率和反應溫度，也能影響熱重稱(chēng)量的結果。氣體流速越大，表觀(guān)增重越大。所以送樣品做熱重分析時(shí)，需注明氣氛條件。

熱重實(shí)驗可在動(dòng)態(tài)或靜態(tài)氣氛條件下進(jìn)行。所謂靜態(tài)是指氣體穩定不流動(dòng)，動(dòng)態(tài)就是氣體以穩定流速流動(dòng)。在靜態(tài)氣氛中，產(chǎn)物的分壓對TG曲線(xiàn)有明顯的影響，使反應向高溫移動(dòng)；而在動(dòng)態(tài)氣氛中，產(chǎn)物的分壓影響較小。因此，我們測試中都使用動(dòng)態(tài)氣氛，氣體流量為20mL/min。

氣氛有如下幾類(lèi)：惰性氣氛，氧化性氣氛，還原性氣氛，還有其它如CO2、Cl2、F2等。

圖中示出CaCO3在三種氣氛條件下的熱失重曲線(xiàn)，可見(jiàn)，在真空條件下，分解溫度低；在空氣條件下，分解溫度居中；在CO2條件下，分解溫度高。

試樣的影響

樣品量的影響：

樣品量多少對熱傳導、熱擴散、揮發(fā)物逸出都有影響。樣品量用多時(shí)，熱效應和溫度梯度都大，對熱傳導和氣體逸出不利，導致溫度偏差。樣品量越大，這種偏差越大。圖中示出了樣品量與熱重曲線(xiàn)的關(guān)系。由圖可以看出，當采用小樣品量時(shí)，反應過(guò)程中每步的變化都可以檢測出來(lái)；而當采用大樣品量時(shí)，三步變化在圖中只看到兩步。所以，樣品用量應在熱天平靈敏度允許的范圍內，盡量減少，以得到良好的檢測效果。而在實(shí)際熱重分析中，樣品量只需要約5mg。

樣品粒度、形狀的影響：

樣品粒度及形狀同樣對熱傳導和氣體的擴散有影響。粒度不同，會(huì )引起氣體產(chǎn)物擴散的變化，導致反應速度和熱重曲線(xiàn)形狀的改變。粒度越小，反應速度越快，熱重曲線(xiàn)上的起始分解溫度和終止分解溫度降低，反應區間變窄，而且分解反應進(jìn)行得。所以，粒度影響在熱重法中是個(gè)不可忽略的因素。左圖中示出了細粒、粗粒和片狀樣品對熱重曲線(xiàn)的影響。右圖示出了粗粒子樣品和研磨后，其熱重曲線(xiàn)的差異。

熱重法的應用主要在金屬合金，地質(zhì)，高分子材料研究，藥物研究等方面。

金屬與氣體反應的測定

金屬和氣體的反應是氣相-固相反應，可用熱重法測定反應過(guò)程的質(zhì)量變化與溫度的關(guān)系，并可作反應量的動(dòng)力學(xué)分析。這類(lèi)實(shí)驗甚至可在SO2，NH3之類(lèi)的腐蝕性氣氛中進(jìn)行。圖中所示是氧化鐵在氫氣中的還原反應。實(shí)驗條件：氫氣流速30mL/min，升溫速率10℃/min，樣品量23.6mg。還原反應按下式進(jìn)行：

Fe2O3 ＋ 3H2 ＝ 2Fe ＋ 3H2O

在500℃左右時(shí)，失重量為30.1％，表明氧化鐵幾乎全部被還原。

類(lèi)似地，也可測出鐵在空氣中的氧化增重。

金屬磁性材料的研究：

金屬磁性材料的特性：有確定的磁性轉化溫度（即居里點(diǎn)）。在外加磁場(chǎng)的作用下，磁性物質(zhì)受到磁力作用，在熱天平上顯示一個(gè)表觀(guān)質(zhì)量值，當溫度升到該磁性物質(zhì)的磁性轉變溫度時(shí)，該物質(zhì)的磁性立即消失，此時(shí)熱天平的表觀(guān)質(zhì)量變?yōu)榱?。利用這個(gè)特性，可以對熱重儀器進(jìn)行溫度校正。

在地質(zhì)方面的應用

礦物鑒定：礦物的熱重曲線(xiàn)會(huì )因其組成、結構不同而表現出不同的特征。通過(guò)與已知礦物特征曲線(xiàn)進(jìn)行起始溫度、峰溫及峰面積等的比較便可鑒定礦物。

由于熱分析的數據具有程序性特點(diǎn)，因而要注意試驗條件引起實(shí)驗結果的差異。

礦物定量：礦物因受熱而脫水、分解、氧化、升華等均可引起質(zhì)量變化?？筛鶕V物中固有組分的脫出量來(lái)測定試樣中礦物的含量。

熱重定量分析法：

試樣在程序溫度控制下發(fā)生質(zhì)量變化，利用這一現象可以對試樣的組分進(jìn)行定量分析。與一般化學(xué)分析方法和其它方法相比，熱重法對試樣進(jìn)行定量分析有其*優(yōu)點(diǎn)，就是樣品不需要預處理，分析不用試劑，操作和數據處理簡(jiǎn)單方便等。要求就是熱重曲線(xiàn)相鄰的兩個(gè)質(zhì)量損失過(guò)程必需形成一個(gè)明顯的平臺，并且該平臺越明顯計算誤差越小。

熱重定量分析法有熱重計算法和熱重圖算法兩種。

熱重計算法：根據熱重曲線(xiàn)上的失重量，由產(chǎn)物（即逸出物質(zhì)）的量計算反應物（即試樣組成）的量。

下面以求解白云石和方解石混合試樣中各組分含量為例，說(shuō)明熱重計算法。

樣品的差熱分析和熱重分析結果如圖所示。從差熱曲線(xiàn)可見(jiàn)815℃有一小的吸熱效應，相應失重量為5.75％；955℃有一大的吸熱效應，相應失重量為39.25％。（由差熱分析結果也可以確定該混合試樣由方解石和白云石組成。）

兩種礦物的分解溫度是不同的。先是白云石在750℃時(shí)分解，生成MgCO3和CaCO3，同時(shí)MgCO3分解，在815℃形成吸熱峰，放出CO2，氣體量為5.75％；然后860℃，白云石和方解石中的CaCO3開(kāi)始分解，在955℃形成第二個(gè)吸熱峰，放出CO2，氣體量為39.25％。根據熱重曲線(xiàn)上的失重量數據，以及反應方程式，我們可以計算出樣品中白云石和方解石的含量分別為24％和76％。

熱重圖算法：

在實(shí)際工作中，為了計算方便，當碳酸鹽礦物試樣質(zhì)量一定時(shí)，將CO2含量與試樣中礦物百分含量之間關(guān)系繪制成計算圖，根據熱重法測得的每種礦物放出CO2的量，通過(guò)查圖求得礦物在試樣中的含量及在礦石中的百分含量。這種方法稱(chēng)為熱重圖算法。

圖中以CO2的含量為橫坐標，礦物量為縱坐標，根據每種碳酸鹽礦物的量與其中CO2含量的關(guān)系，可以得到一系列通過(guò)原點(diǎn)的直線(xiàn)（檢量線(xiàn)）。白云石的檢量線(xiàn)是用白云石中MgCO3分解出來(lái)的CO2量與白云石質(zhì)量之間關(guān)系畫(huà)出來(lái)的。圖中，右縱坐標有兩行，分別為試樣質(zhì)量200mg及100mg時(shí)，其中礦物的百分含量。這里值得一提的是，在作熱重測定時(shí)，稱(chēng)量要準確到200.0mg或100.0mg，以便直接利用算圖計算出組分的百分含量。

礦物類(lèi)質(zhì)同象：是指在礦物晶體結構中部分質(zhì)點(diǎn)被它種質(zhì)點(diǎn)取代，晶體結構保持不變，而只引起晶格常數不大的變化的現象。

礦物由于其類(lèi)質(zhì)同象的成分發(fā)生改變，其中各組分的百分含量亦隨之發(fā)生變化，可根據礦物脫水、CO2的放出等百分含量來(lái)判斷類(lèi)質(zhì)同象的成分。

如碳酸鹽礦物由于類(lèi)質(zhì)同象成分的變化，CO2的百分含量亦隨之改變?？筛鶕﨏O2的百分含量來(lái)確定有無(wú)類(lèi)質(zhì)同象成分的存在和各類(lèi)質(zhì)同象成分的含量。由差熱曲線(xiàn)的特征確定碳酸鹽礦物類(lèi)別后，可根據熱重曲線(xiàn)測定的CO2百分含量來(lái)判斷礦物中是否有類(lèi)質(zhì)同象成分存在。如：差熱曲線(xiàn)的特征為方解石，而熱重曲線(xiàn)CO2>43.97％，則為鎂方解石；差熱曲線(xiàn)的特征為菱鐵礦，而熱重曲線(xiàn)CO2>37.99％，則為鎂菱鐵礦。碳酸鹽礦物是否有類(lèi)質(zhì)同象存在，只要看CO2的百分含量是否介于類(lèi)質(zhì)同象兩端元礦物CO2百分含量之間。

確定礦物中水的存在形式：礦物脫水在熱重曲線(xiàn)上顯示失重，。礦物中水存在形式不同，結合能力不同，脫出溫度也不同。脫出吸附水和層間水的溫度較低，一般在200℃以下；結晶水脫出一般在300℃以下；結構水的脫出溫度較高，一般為500-800℃。少數礦物還有結合水（OH2），其脫出溫度較層間水為高，但又比結構水低。同一種存在形式的水，由于與之結合的離子不同（如蒙脫石）或是結合部位不同（如綠泥石），或是脫水過(guò)程形成含水礦物（如硼砂），而可分階段脫出。因而在利用熱分析的結果確定水的存在形式時(shí)要進(jìn)行具體的分析，同時(shí)結合其他分析方法。

在高分子材料中的應用

材料的熱穩定性

熱重法可以評價(jià)聚烯烴類(lèi)、聚鹵代烯類(lèi)、含氧類(lèi)聚合物、芳雜環(huán)類(lèi)聚合物、[單體、多聚體和聚合物]、彈性體高分子材料的熱穩定性。

高溫下聚合物內部可能發(fā)生各種反應，如開(kāi)始分解時(shí)可能是側鏈的分解，而主鏈無(wú)變化，達到一定的溫度時(shí)，主鏈可能斷裂，引起材料的急劇變化。有的材料一步降解，而有些材料可能在很高的溫度下仍有殘留物。

如圖，我們在同一臺熱天平上，以同樣的條件進(jìn)行熱重分析，比較五種聚合物的熱穩定性?？梢?jiàn)，每種聚合物在特定溫度區域有不同的TG曲線(xiàn)，這為進(jìn)一步研究反應機制提供了有啟發(fā)性的資料。由中TG曲線(xiàn)的信息，我們知道，這五種聚合物的相對熱穩定性順序是：PVC < PMMA < HPPE < PTFE < PI

材料的熱特性

每種高分子材料都有自己*的熱重曲線(xiàn)。通過(guò)研究材料的熱重曲線(xiàn)，可以了解材料在溫度作用下的變化過(guò)程，從而研究材料的熱特性。

環(huán)氧樹(shù)脂的TG-DTG曲線(xiàn)，由圖可見(jiàn)，環(huán)氧樹(shù)脂的熱變化是多步過(guò)程。從TG曲線(xiàn)上看，多步變化的分界點(diǎn)不十分明顯，通過(guò)DTG曲線(xiàn)來(lái)看，變化就明顯，從DTG曲線(xiàn)上可以明顯得出三步變化的溫度范圍：120-225℃；225-410℃；410-560℃，三步變化的大速率溫度為175℃；350℃；506℃。

研究材料中添加劑的作用

 

添加劑：增塑劑、發(fā)泡劑、阻燃劑、補強劑、

添加劑是高分子材料制成成品的重要組成部分。通常用純高分子制成成品的情況很少，一般在高分子中都要配以各種各樣的具有各種功能作用的添加劑（如增塑劑、發(fā)泡劑、阻燃劑、補強劑等），才能制成具有各種的成品，從而使其具有使用價(jià)值。添加劑的、添加劑與高分子的匹配相容性、各種添加劑之間的匹配相容性，都是影響制品的重要因素。

熱重法可以研究高分子材料中添加劑的作用，也可直接測定添加劑的含量，以及添加劑的熱穩定性。

如圖所示，用TG法測定增塑劑對聚乙烯醇縮丁醛樹(shù)脂熱穩定性的影響。圖中自上而下分別為：1＃純聚乙烯醇縮丁醛樹(shù)脂；2＃用苯萃取過(guò)增塑劑的樹(shù)脂；3#含有增塑劑的樹(shù)脂。由圖可見(jiàn)，三者的熱穩定性順序是：純樹(shù)脂 > 苯萃取后樹(shù)脂 > 含增塑劑樹(shù)脂。由第三條曲線(xiàn)可以求出增塑劑的含量（31％）；由第二條曲線(xiàn)可以看出，盡管已經(jīng)用苯萃取過(guò)增塑劑，但萃取得不，在TG曲線(xiàn)上可以明顯看出萃取后樹(shù)脂中仍然含有余量增塑劑。由此可以認為，用苯萃取法測定增塑劑含量不如熱重法準確、簡(jiǎn)便及快速。由圖中還可以得出，盡管用苯萃取去除樹(shù)脂中的增塑劑，但萃取后的樹(shù)脂不能回復到原來(lái)純樹(shù)脂的狀態(tài)。由熱重曲線(xiàn)上得出，苯萃取后的樹(shù)脂中還含有3％的殘余增塑劑。

阻燃劑：

阻燃劑在高分子材料中有特殊效果。阻燃劑的種類(lèi)和用量選擇適當，可以大大改善和提供高分子材料的阻燃；否則，則達不到阻燃效果。圖中為阻燃劑阻燃效果對比的TG曲線(xiàn)?？梢钥闯?，加阻燃劑的聚丙稀盡管開(kāi)始失重時(shí)的溫度略低于純聚丙稀，但從整個(gè)材料分解破壞的熱穩定性來(lái)看，加阻燃劑的聚丙稀的熱穩定性是大大提高了，阻燃劑阻燃*，阻燃劑用量卻只有0.5％。

研究高分子材料的組成

研究高分子材料的共聚和共混

每種高分子材料都有自己的優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)，在使用時(shí)，為了利用優(yōu)點(diǎn)，克服缺點(diǎn)，往往材料高分子材料共聚或共混的方法以得到使用好的高分子材料。熱重法可用于研究高分子材料的共聚和共混，測定高分子材料共聚物和共混物的組成。

圖中為乙丙橡膠和天然橡膠二元共混物的TG-DTG曲線(xiàn)?？梢?jiàn)，乙丙橡膠的熱溫度性?xún)?yōu)于天然橡膠，而二者的二元共混物的熱穩定性?xún)?yōu)于天然橡膠，而次于乙丙橡膠。由此得出，共混物的熱穩定性在相應兩種均聚物的熱穩定性之間。由DTG曲線(xiàn)可見(jiàn)，天然橡膠和乙丙橡膠DTG曲線(xiàn) 各自有*的變化峰，而共混物同時(shí)出現兩個(gè)峰，分別與天然橡膠和乙丙橡膠的峰位置對應。把共混物的峰高分別與天然橡膠和乙丙橡膠的峰高相比，所得的比值就是共混物中天然橡膠和乙丙橡膠的含量。

研究熱固性樹(shù)脂的固化

對固化過(guò)程中失去低分子物的縮聚反應，可用熱重法進(jìn)行研究。酚醛樹(shù)脂在固化過(guò)程生成水，利用TG測定脫水失重過(guò)程，即可研究酚醛樹(shù)脂的固化。

圖中為一系列等溫固化過(guò)程TG曲線(xiàn)。由圖可見(jiàn)，在140-240℃的一系列等溫固化過(guò)程中，固化程度隨固化溫度的提高而增加，而在260℃時(shí)，固化程度反而下降。所以，240℃為該樹(shù)脂的佳固化溫度。右圖示出酚醛樹(shù)脂固化進(jìn)行的研究情況。1為未固化樹(shù)脂，1為在160℃固化一分鐘后的樹(shù)脂，3為在180℃固化一分鐘后的樹(shù)脂。從三者的TG曲線(xiàn)可見(jiàn)，熱穩定性?xún)?yōu)劣順序是：3>2>1；從三者的DTG曲線(xiàn)可見(jiàn)，固化程度優(yōu)劣是：3>2>1。顯然，熱穩定性隨固化程度的提高而增高，180℃固化比160℃固化的程度要高得多。但由失重情況可見(jiàn)，樹(shù)脂在180℃固化一分鐘后固化仍不。由DTG曲線(xiàn)2或3的峰面積與1的峰面積相比，可分別求出在2和3固化條件下的固化不程度。由1減去各自的未固化百分數，可求出各自條件下的相對固化度。

在藥物研究中的應用

 

考察藥物和輔料的脫出過(guò)程：藥物或輔料所含的水分，一般有吸附水和結晶水，用TG法可分別測定其含量，用DTG法可分別測出其脫除速度。吸附水在100℃附近或稍高一些溫度即可脫除。至于結晶水，其脫除溫度不一，有的數十度時(shí)可脫出，有的要高達數百度才能脫出，還有些結晶水的脫出是分階段的。

藥物包合物的研究：

藥物可達到如下效果：（1）為了使易揮發(fā)的藥物保存下來(lái)不揮發(fā)跑掉以達到好的醫療效果；（2）為了減少或除去藥物的刺激作用，使服藥人免受刺激的痛苦；（3）使用有緩釋作用的包合劑來(lái)包合藥物則可使藥物慢慢在體內釋放，這樣既可達到長(cháng)效效果又可達到減少或免除藥物的流失而損失；（4）使用特定定位的包合劑包合藥物即可達到定位給藥的目的。