熱重-差熱分析(TG-DTA)數據分析及作圖法

       在《Origin軟體中熱重曲線的作圖方法》和《微商熱重曲線的作圖方法》中分別介紹了熱重曲線和微商熱重曲線的作圖方法，一些讀者留言希望了解熱重-差熱分析（TG-DTA）的數據分析及作圖相關的內容。因此，在本文中將介紹常用的TG-DTA法的數據分析及作圖相關的內容。

       1. TG-DTA方法簡介

      熱重-差熱分析  （thermogravimetric-differential thermal analysis，簡稱TG-DTA）是在程序控溫和一定氣氛下，同時測量試樣的質量和輸入到試樣與參比物的溫度差隨溫度或時間關係的技術。TG-DTA是一種常用的同時聯用的熱分析聯用技術，通常籠統地稱為同步熱分析法（同步熱分析有時也用來指TG-DSC）。

       TG-DTA技術將TG與DTA結合為一體，在同一次測量中利用同一樣品可同步得到試樣的質量變化及試樣與參比物的溫度差的信息。常用的TG-DTA儀主要有水平式和上皿式兩種結構形式。測試時將裝有試樣和參比物的坩堝置於與稱量裝置相連的支持器組件中，在預先設定的程序控制溫度和一定氣氛下對試樣進行測試，在測試過程中通過天平實時測定試樣的質量，同時通過支持器組件的溫差熱電偶測量試樣與參比物的溫度差隨溫度或時間的變化信息，獲得TG-DTA曲線。

         2.  TG-DTA曲線分析

      由TG-DTA曲線可以得到樣品的質量和熱效應的變化信息，在實際的數據分析和作圖中通常將TG曲線和DTA曲線放在一起進行綜合分析（圖1）。圖1中的綠色曲線為TG曲線，藍色曲線為DTA曲線，圖中當TG曲線的質量發生變化時（第一個臺階對應於失去一分子結晶水的過程，第二個質量變化臺階對應於失去一分子CO的過程，第三個質量變化臺階對應於失去一分子CO2的過程）。DTA曲線中對於這個質量變化過程分別表現出了不同的熱效應，分別對應於每一個質量變化過程。

 

圖1 一水草酸鈣的TG-DTA曲線

在《Origin軟體中熱重曲線的作圖方法》和《微商熱重曲線的作圖方法》中均已指出，為了便於比較樣品在實驗過程中的質量變化程度，通常需要對初始質量進行歸一化處理。同樣地，在對DTA曲線進行數據分析時也應對初始質量進行歸一化處理。圖1中，由於DTA曲線測量的是樣品相對參比的溫度差，因此在DTA曲線中縱坐標所對應的測量的物理量為溫度差（單位為℃/mg或者K/mg）。需要特別指出，有些儀器得到的軟體中所導出的DTA曲線的縱坐標所對應的測量的溫度差的單位為μV/mg，這是由於軟體中沒有將熱電偶測量的電勢差的信號轉換為溫度單位引起的（圖2）。

 

圖2 DTA曲線的縱坐標所對應的測量的溫度差的單位為μV/mg

      由於DTA測量的為試樣相對於參比物的溫度差，該值為相對值，在進行數據分析時通常並不影響對一個過程的熱效應的分析結果。

      3.  在作圖軟體中TG-DTA曲線的作圖方法

       下面以Origin軟體為例來介紹TG-DTA曲線的作圖方法。

首先將由儀器所附帶的分析軟體導出的ASCII格式的.txt文件或者.csv導入到Origin軟體中，導入後的界面如圖3所示。

 

圖3

        然後，將溫度列設定為X軸、將質量（第3列）和溫度差（第4列為uV，第5列為℃，本例中以℃為例，故使用第5列的數據）數據進行歸一化處理，並刪去前三十行與實驗相關的一些參數信息、命名每一欄所代表的的物理量，界面如圖4所示。

 

圖4

      選中表格中的B、C、E列（圖5）並點擊圖Double-Y圖標（圖6），即可以得到TG-DTA曲線，如圖7所示。

 

圖5

 

圖6

 

圖 7

        點擊圖中的曲線可以改變曲線的大小和顏色，點擊圖中的數字和圖題也可以進行相應的編輯工作。

      有時需要將DTG曲線加入到TG-DTA曲線中進行綜合分析，此時在圖中分別出現了TG曲線、DTA曲線和DTG曲線。圖4中的F列為微商重量數據，作圖時同時選中B、C、E、F列（圖8）。然後，點擊Double-Y圖標中的3Ys-Y-YY選項（圖9），即可以得到TG-DTA-DTG曲線，如圖10所示。圖10中，黑色曲線對應於TG曲線、紅色曲線對應於DTA曲線、藍色曲線對應於DTG曲線。點擊圖中的曲線可以改變曲線的大小和顏色，點擊圖中的數字和圖題也可以進行相應的編輯工作。

 

圖8

 

圖 9

 

圖10