在做熱分析測試時，科學指南針檢測平臺工作人員在與很多同學溝通中了解到，好多同學對熱分析測試不太了解，針對此，科學指南針檢測平臺團隊組織相關同事對網(wǎng)上海量知識進行整理，希望可以幫助到科研圈的伙伴們；

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熱重分析法簡介：熱重分析法（Thermogravimetric Analysis，TG或TGA）是在程序控制溫度下，測量物質(zhì)的質(zhì)量與溫度或時間的關系的方法。通過分析熱重曲線，我們可以知道樣品及其可能產(chǎn)生的中間產(chǎn)物的組成、熱穩(wěn)定性、熱分解情況及生成的產(chǎn)物等與質(zhì)量相聯(lián)系的信息。熱重分析法主要應用在金屬合金，地質(zhì)，高分子材料研究，藥物研究等方面。

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下面小編根據(jù)幾個文獻案例來介紹熱重分析法在能源與環(huán)境科研論文中的應用。

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案例一：

用熱重分析法來研究

竹子和甘蔗渣兩種物質(zhì)的燃燒過程

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1.題目及作者：

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2.文獻收錄：Applied Energy

DOI：10.1016/j.apenergy.2015.09.026

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3.摘要：

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該文獻研究了在5、10、20、30和40℃/min5種不同升溫速率下，對竹子和甘蔗渣進行了熱重分析（TGA）。采用交會法（IM）和偏差法（DM）對兩種生物質(zhì)的著火溫度進行了分析，采用IM和轉(zhuǎn)換法（CM）對兩種生物質(zhì)的燃盡溫度進行了分析。

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在IM和CM中，著火和燃盡溫度均隨升溫速率的增加而增加，這是由于生物質(zhì)顆粒在高升溫速率下存在明顯的熱滯后。用DM測得的點火溫度低于用IM測得的點火溫度，且溫度與升溫速率無關。IM測定的燃盡溫度與CM測定的燃盡溫度相近，而兩種生物質(zhì)樣品的燃盡溫度差異較小。從IM上測得的兩種生物量的著火溫度在250 ~ 300℃之間，燃盡溫度接近500℃。

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總的來說，在確定生物量的著火溫度時，推薦使用IM，而在接近燃盡溫度時，CM是一種可行且簡單的方法。而TGA升溫速率建議采用20-30℃/min，因為該速率操作準確且省時。

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4.測試儀器介紹：

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該文獻熱分析采用的設備是PerkinElmerDiamond TG/DTA。

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5.測試譜圖：

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6.測試分析：

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竹子在空氣中的熱降解

圖2a為5種不同升溫速率下竹子在空氣中的TGA曲線，對應的DTG曲線為圖2b和圖2c。通過圖2和表3可以看出在升溫速率20-40℃/min時，DTG曲線分為了兩個主峰，第一個峰的溫度在277-319℃之間，第二個峰在428-471℃之間。最先出現(xiàn)的主峰是揮發(fā)性物質(zhì)的燃燒，主要來自于全纖維素的熱分解和木質(zhì)素的部分分解。第二個主峰主要來自于剩余的木質(zhì)素和炭的燃燒。在升溫速率為5和10℃/min時，第一個峰進一步分裂成兩個小峰，分別對應于半纖維素和纖維素的燃燒。

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圖2b中，第一個主峰的強度范圍為3.53%-29.02%/min，對升溫速率敏感，第二個主峰也表現(xiàn)出類似的現(xiàn)象。然而，如圖2c所示，當用%℃-1為單位時，第一個峰值對升溫速率不敏感，強度在0.71-0.73%之間。由此可知，加熱速率對第一個主峰的燃燒強度影響較小，除了加熱速率在30和40℃/min之外，在第二個主峰上也觀察到類似行為。這意味著木質(zhì)素或焦炭的燃燒在這兩種升溫速率下得到了強化。由表3看出，隨著升溫速率的增加，主峰的溫度也逐漸升高。這是由于，較高的升溫速率導致熱傳遞到樣品顆粒有熱滯后現(xiàn)象，從而延遲了揮發(fā)性和碳化物的燃燒。圖2b和2c所示，可以看出升溫速率為5℃和10℃/min時，熱滯后現(xiàn)象較輕，使得半纖維素和纖維素的燃燒可以分別顯示出來。由此可知，在高升溫速率下，生物質(zhì)燃燒以表面氧化為主，在低升溫速率下，生物質(zhì)傳熱起重要作用。

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竹子的著火和燃盡溫度

IM和DM法得到的竹子著火溫度如表4所示。IM竹子著火溫度在241-265℃范圍內(nèi)，處于生物量的正常著火溫度。由于第一個主峰的溫度隨升溫速率增大而增大，所以升溫速率增大時，著火溫度也隨之增大。不同升溫速率下竹子在空氣和氮氣中的DTG曲線如圖3所示。而DM法，竹子的著火溫度為172-233℃之間，其實測值低于基于IM法的實測值。DM測得的著火溫度低于IM的原因是，DM評價的著火溫度主要來自于半纖維素的反應，而半纖維素比纖維素和木質(zhì)素的反應性更強。

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竹子的燃盡溫度在456-512℃之間，而使用CM法測得的燃盡溫度為460-520℃之間。與著火溫度相似，基于IM和CM法測得的燃盡溫度隨著升溫速率的增加而增加，說明顆粒表面的快速升溫導致生物質(zhì)顆粒熱滯后較大，從而導致完全燃燒時間延長。根據(jù)CM測量的燃盡溫度魚基于IM測量的接近，表明CM法能夠準確預測生物質(zhì)的燃盡溫度，99%生物質(zhì)轉(zhuǎn)化是確定生物質(zhì)燃盡溫度的合適點。

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甘蔗渣在空氣中的熱降解

五種不同加熱速率下甘蔗渣的TGA和兩種DTG曲線如圖4所示。所有的DTG曲線也分為兩個峰，隨著升溫速率的增加，峰的溫度向右移動，與竹子熱降解曲線相似。圖4b中，當加熱速率從5℃/min增加到40℃/min時，圖中第一個峰值的強度從9.72%/min增加到48.01%/min，比竹子的要高得多，原因是甘蔗渣中較高的揮發(fā)成分和全纖維素。由于蔗渣木質(zhì)素含量較低，會減少第一個峰值后的炭產(chǎn)量，第二個峰值的強度便小于第一個峰值。與竹子第一個峰在低升溫速率會分裂成兩個小峰不同，蔗渣的DTG曲線的第一個峰值總是伴隨著一個肩膀，后者是半纖維素燃燒的結(jié)果。第一個峰的強度高于肩峰和第二個峰的強度，可能是由于蔗渣中纖維素的結(jié)晶結(jié)構明顯導致。因為兩個DTG峰的平均溫差，竹子為155℃，甘蔗渣為115℃，說明甘蔗渣的燃燒效率高于竹子。

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甘蔗渣的著火和燃盡溫度

生物質(zhì)燃燒始于全纖維素和揮發(fā)性物質(zhì)的燃燒。根據(jù)IM法，甘蔗渣的著火溫度在281-316℃之間，隨著升溫速率增加，著火溫度也呈上升趨勢（表4）。原因可能是甘蔗渣中明顯地結(jié)晶纖維素所致。以DM法測得的甘蔗渣的著火溫度在201-243℃之間，也低于IM法測得的甘蔗渣的著火溫度，這點與竹子的結(jié)果相似。不同加熱速率下甘蔗渣在空氣和氮氣中的DTG分布如圖5所示。采用IM法，蔗渣的燃盡溫度在462-512℃之間，而采用CM法測得的燃盡溫度為455-517℃之間。甘蔗渣的燃盡溫度略高于竹子，兩種方法得到的燃盡溫度接近，說明CM法是測定甘蔗渣燃盡溫度的可行工具。

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7.文獻小結(jié)：

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本文獻采用熱重分析法研究竹子和甘蔗渣的燃燒行為，測定其著火點和燃盡溫度。

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案例二：

用熱重分析法研究

環(huán)境中聚乙烯微塑料的熱分解

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1.題目及作者：

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2.文獻收錄：Water Research

DOI: 10.1016/j.watres.2015.09.002

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3.摘要：

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微塑料是從聚合物碎片和工業(yè)生產(chǎn)中進入環(huán)境的直徑小于5mm的小聚合物顆粒。因此需要一種方法來識別和量化各種環(huán)境樣品中的微塑料及其可靠的濃度值。本文獻的方法是通過熱重量分析（TGA），然后連接到固相吸附器，接著用熱脫附氣相色譜-質(zhì)譜（TDS-GC-MS）對分解物進行分析。這個方法相比其他色譜方法，可以分析相對較高的樣品質(zhì)量，這使得在小范圍內(nèi)測量非均勻的復雜基質(zhì)成為了可能。

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4.測試儀器介紹：

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樣品測試采用配備自動取樣器的單臂水平熱天平TGA/SDTA 851 (Metter/Toledo, Gieben, 德國)進行，樣品在氮氣條件下，升溫速率為10℃/min，從25℃升溫至600℃。

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5.測試譜圖：

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6.測試分析：

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熱分解行為

圖1所示是環(huán)境樣品中PE的熱重（TG）和微商熱重（DTG）曲線。所有的環(huán)境樣品由于水的釋放，都在100℃顯示出一個小的，低溫分解的臺階。主要的分解步驟開始于約200℃，結(jié)束于550℃。所有的材料的殘留物都取決于它們的來源，包括渦輪型炭和/或無機組分。單獨的PE在400-510℃之間分解。PE是在其主鏈隨機切斷進行分解，它通過釋放小脂肪鏈分解，沒有產(chǎn)生殘留。因為環(huán)境樣品的熱分解過程與PE重疊，所以不可能將聚合物熱分解過程的TGA信號與環(huán)境基質(zhì)分解過程的TGA信號進行熱分離。因此只有通過測試PE的熱分解產(chǎn)物的識別和量化，才能區(qū)別于環(huán)境熱分解的產(chǎn)物。

7.文獻小結(jié)：本文獻通過熱重量分析和其它表征手段相結(jié)合，通過PE熱分解產(chǎn)物來確定環(huán)境樣品中PE的濃度。

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案例三：

通過熱重分析法

研究大豆秸稈的熱解動力學

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1. 題目及作者：

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2. 文獻收錄：Fuel

DOI: 10.1016/j.fuel.2015.12.011

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3. 摘要：

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本文獻采用非等溫熱重分析法（TGA）對大豆秸稈進行熱解實驗，以確定其熱解行為。熱解實驗在惰性條件下進行，以不同的升溫速率（5,10,20,30K/min）進行。文獻還通過三種不同的動力學模型，KAS模型、OFW模型和Coats-Redfern方法對大豆秸稈TGA數(shù)據(jù)進行了動力學參數(shù)的計算。并利用KAS和OFW模型對大豆秸稈熱分解過程進行了模擬，與實驗數(shù)據(jù)有較好的吻合。

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4. 測試儀器介紹：

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熱解實驗在同步差示熱重分析儀中進行，該分析儀結(jié)合了熱通量型DSC和TGA（Mettler Toledo TGA/DSC Stare ESI-0910, 瑞士， 測量精度±0.15K，DSC靈敏度±0.1mW，微天平靈敏度±0.1μg）

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5. 測試譜圖：

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6.測試分析：

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分別以5,10,20和30K/min的升溫速率對大豆秸稈進行熱解，得到的TG和DTG曲線如圖2所示。大豆秸稈分解區(qū)可分為三個階段。第一個范圍為383-453K，與樣品中所含水分相對應，這是由于大豆秸稈的吸濕性和極少的揮發(fā)物造成的。主要的分解步驟發(fā)生在453-673K之間，613K左右出現(xiàn)了一個強峰，F(xiàn)TIR證實這是由于半纖維素和纖維素分解造成的。該階段之后，在673-1173K之間出現(xiàn)了一個肩峰，這應該與木質(zhì)素的分解有關。

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如圖2所示，升溫速率的增加會導致熱降解過程向高溫方向的減速，原因是由于熱滯后的增加，高的升溫速率會使樣品在短時間內(nèi)達到給定的溫度。隨著升溫速率的增加，揮發(fā)物的產(chǎn)率略有下降。在453-773K的溫度范圍內(nèi)，5，10，20，30K/min升溫速率下，揮發(fā)物率分別為76.3%，72.1%，68.7%和67.5%。另一方面，升溫速率的降低只是使峰值溫度降低，并沒有改變熱分解曲線，原因可能是較低的升溫速率比較高的升溫速率時擁有較高的熱交換效率。這與Kim等人提出的“由于熱能的增加，分解的最大速率隨著加熱速率的增加而增加”的結(jié)論一致。

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7.文獻小結(jié)：

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本文獻利用熱重分析法得到了大豆秸稈熱分解的過程及其動力過程。

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總結(jié)：在這三篇能源環(huán)境研究領域文獻中，熱重分析法在科研過程中均作為重要的分析和表征工具，為論文結(jié)論的得出給出了重要的數(shù)據(jù)支撐，尤其在熱分解的動力學過程中更是有著其很大的優(yōu)勢。

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