热重分析（TGA）技术详解：原理、应用与操作要点

热重分析（TGA）作为一种经典的材料热性能测试方法，在科研与工业领域发挥着不可替代的作用。该方法通过监测样品质量随温度或时间的变化，为评估材料的热稳定性、组成含量及热分解行为提供关键数据支持。

核心测试原理

TGA测量的是材料在一定环境条件下，其重量随温度或时间的变化，目的是研究材料的热稳定性和组成。

试样可以是固体或液体．并以某一速率升温或降温，或在某一固定温度保持恒温。测试时，被测样品置于天平内，当被测物质在加热过程中有升华、汽化、分解出气体或失去结晶水等现象时，样品的质量就会发生变化，并得到相应的热重曲线，通过分析热重曲线即可得到被测样品的质量变化量和对应的温度及时间点数据。

TGA可用于测量分解、氧化、还原、蒸发、升华和其他质量变化。

热重法可被用来测定聚合物的分解温度和速率、并同时测量其中所含挥发物、添加剂和/或填料的数量。可在动态模式（编程条件下质量随着温度或时间而变化）或在等温模式（恒温时质量随着时间而变化）下执行热重测量工作。

核心测试项目与分析要点

1. 热稳定性评估

材料的热稳定性是TGA最直接的应用领域之一。通过分析TGA曲线，可以获取几个关键指标：

初始分解温度（T₀）：

通常定义为质量损失达到5%时的温度，代表材料开始发生明显分解的温度点。这一参数有助于判断材料的最低使用温度上限。

最大分解温度（Tₘₐₓ）：

对应于DTG曲线峰值处的温度，表示材料分解速率最快的温度点。该温度越高，表明材料在高温下的稳定性越强。在实际应用中，通过比较不同材料的这些特征温度，可以快速评估它们的热稳定性差异，为材料选型提供依据。例如，在电子元器件领域，封装材料需要具备足够高的初始分解温度以确保在焊接和使用过程中的稳定性。

2. 成分含量测定无机填料含量：

许多高分子复合材料中含有玻璃纤维、碳酸钙、炭黑等无机填料。在惰性气氛（如氮气）中加热至足够高温（通常500-800℃），有机聚合物基体完全分解，剩余残渣的质量百分比即为无机填料含量。

挥发分和水分含量：

材料中吸附的水分、残留溶剂或其他挥发性成分通常在较低温度范围（一般<200℃）逸出，对应TGA曲线中低温段的质量损失。这一信息对于评估材料的干燥处理工艺和储存条件至关重要。

阻燃剂含量：

对于添加了阻燃剂的材料，阻燃剂通常在特定温度区间分解。通过分析对应温度段的质量损失，结合阻燃剂的已知分解特性，可以计算出阻燃剂的添加量。

3. 热分解行为分析单阶段分解：

TGA曲线呈现单一的质量损失台阶，DTG曲线只有一个峰，通常表明材料具有均一组成或同步分解机制。

多阶段分解：

多个质量损失台阶或DTG多峰表明材料含有多种热稳定性不同的组分，或同一组分存在不同的分解路径。通过分析各阶段的质量损失比例和特征温度，可以推断材料的复杂组成或分解机理。在PCB板材性能评估项目中，热稳定性或热分解温度（Td值）是板材的一项基本评估指标，TGA用于分析板材质量变化2%或5%时的热分解温度Td，从而确定出板材的热分解性能。如果基材的热分解温度太低，PCB在经过焊接过程的高温时将会发生爆板或分层失效现象。

关键测试条件选择

1. 气氛选择：

测试气氛是影响TGA结果的关键因素。氮气等惰性气氛用于研究材料本身的热分解行为，排除氧化干扰；空气或氧气等氧化性气氛则用于评估材料在实际使用环境中的热氧化稳定性。某些特殊情况下还会使用还原性气氛或特定混合气体。

2. 升温速率：

常用的升温速率为10-20℃/min。较快升温速率会使分解温度向高温方向偏移，峰形变得尖锐；较慢升温速率则能提供更精确的分解温度，但会延长测试时间。

3. 样品量与装样方式：

通常使用5-10mg的样品量。样品量过大会因传热不均导致温度梯度，使分解区间变宽；样品量过小则会放大称量误差。

参考标准与应用场景

1. 参考标准：

国内常用的TGA标准包括GB/T 27761-2011《热重法测定固体材料的热稳定性》和GB/T 14837-2014《橡胶和橡胶制品 热重分析法》。这些标准规范了测试程序、数据分析和报告格式，确保结果的可比性与可靠性。

2. 应用场景：

TGA技术广泛应用于塑料、橡胶、纤维、涂料、粘合剂、医药、食品等众多领域。具体应用包括：

（1）材料筛选与开发：

快速比较不同配方或工艺制备的材料热稳定性，指导新材料开发。

（2）配方优化：

验证填料、阻燃剂等添加剂的实际含量与分布，优化产品配方。

（3）质量监控：

作为进料检验或生产过程控制手段，确保产品热性能符合规格。

（4）失效分析：

分析材料在热老化、过度加热等异常条件后的性能变化，找出失效原因。

（5）寿命预测：

通过多温度点热老化实验，推演材料在长期使用条件下的寿命。

注意事项

1. 样品制备：

样品应充分干燥并粉碎至适宜粒度，避免因水分残留或颗粒过大影响测试结果。对于易吸湿样品，建议在测试前进行适当干燥处理或注明测试环境湿度。

2. 仪器校准：

定期使用标准物质（如居里点标准物质）对仪器进行温度和质量的校准，确保测量精度。特别是当测试条件发生变化或进行精密定量分析时，校准尤为重要。

3. 数据分析：

解读TGA曲线时需结合材料的具体组成和应用背景，正确区分基体分解、添加剂分解等不同阶段的质量损失。对于复杂体系，建议结合差示扫描量热法（DSC）、红外光谱（FTIR）等辅助技术进行综合分析。

4. 安全考虑：

某些材料在加热过程中可能释放腐蚀性或毒性气体，需配备适当的排气或吸收装置，防止仪器损坏和环境污杂。

结语

热重分析作为材料热性能表征的核心技术，以其直观的质量变化信息为材料研发、质量控制和失效分析提供关键数据支持。通过理解TGA的基本原理，掌握测试条件的选择原则，并结合实际应用场景合理解读数据，可以使这一传统分析方法在现代材料研究中发挥更大价值。随着联用技术（如TGA-FTIR、TGA-MS）的发展，热重分析的应用前景将更为广阔。