TGA／SDTA851e熱重分析儀影響分析的因素及常見故障排除

李建輝 徐宏坤 孫 楓 張鵬輝

（中國石油獨山子石化公司，獨山子833600）

1 引言

TGA／SDTA851e熱重分析儀由瑞士梅特勒公司生產，配備了計算機控制和數據處理系統，自動化程度較高，分析方法簡便迅速。可在研究工作和常規測量中研究樣品的腐蝕、高溫分解、吸附／解吸附、溶劑的損耗、氧化／還原反應、水合／脫水、分解、黑煙末等，目前廣泛應用于塑料、橡膠、涂料、藥品、催化劑、無機材料、金屬材料與復合材料等各領域的研究開發、工藝優化與質量監控。在使用過程中，如何使儀器更好的運行，加強對儀器的了解和日常維護尤為重要。筆者長期從事儀器的維護工作，結合本款儀器性能結構特點，對儀器使用和維護過程中出現的問題和相應的解決辦法進行了總結闡述。

2 工作原理

熱重分析儀主要由天平、加熱爐、程序控溫系統、記錄系統等幾個部分構成，結構圖見圖1。最常用的測量的原理有兩種，即變位法和零位法。所謂變位法，是根據天平梁傾斜度與質量變化成比例的關系，用差動變壓器等檢知傾斜度，并自動記錄。零位法是采用差動變壓器法、光學法測定天平梁的傾斜度，然后去調整安裝在天平系統和磁場中線圈的電流，使線圈轉動恢復天平梁的傾斜，即所謂零位法。由于線圈轉動所施加的力與質量變化成比例，這個力又與線圈中的電流成比例，因此只需測量并記錄電流的變化，便可得到質量變化的曲線。

3 操作條件

實驗室應盡量遠離振動源及大的用電設備，室內配備空調，以保證溫度恒定。計算機在儀器測試時，不能上網或運行系統資源占用較大的程序。

保護氣體（Protective）：保護氣體用于對加熱爐及被測樣品進行保護，一是防止樣品及熱電偶在加熱過程中被氧化，二是防止樣品可能產生的毒性及腐蝕性分解氣體對爐體，熱電偶的侵害。一般以氮氣為保護氣體，流量調至100mL／min。

圖1 TGA／SDTA851e熱重分析儀結構圖

恒溫水浴：恒溫水浴用來保證測量傳感器工作在一個恒定溫度下。一般情況下恒溫水浴的水溫調整為22±0.1℃。恒溫水浴應至少在測試前1小時打開。

4 影響熱重分析的因素

4.1 試樣量和試樣皿

熱重法測定，試樣量要少，一般2～5mg。一方面是因為儀器天平靈敏度很高（可達0.1μg），另一方面如果試樣量多，傳質阻力越大，試樣內部溫度梯度大，甚至試樣產生熱效應會使試樣溫度偏離線性程序升溫，使TG曲線發生變化，粒度也是越細越好，盡可能將試樣鋪平，如粒度大，會使分解反應移向高溫。

試樣皿的材質，要求耐高溫，對試樣、中間產物、最終產物和氣氛都是惰性的，即不能有反應活性和催化活性。通常使用的試樣皿有鉑金、陶瓷、石英、玻璃、鋁等。特別要注意，不同的樣品要采用不同材質的試樣皿，否則會損壞試樣皿，如：碳酸鈉會在高溫時與石英、陶瓷中的SiO2反應生成硅酸鈉，所以像碳酸鈉一類堿性樣品，測試時不要用鋁、石英、玻璃、陶瓷試樣皿。鉑金試樣皿，對有加氫或脫氫的有機物有活性，也不適合作含磷、硫和鹵素的聚合物樣品，因此要加以選擇。

4.2 升溫速率

升溫速度越快，溫度滯后越嚴重，如聚苯乙烯在N2中分解，當分解程度都取失重10%時，用1℃／min測定為357℃，用5℃／min測定為394℃相差37℃。升溫速度快，使曲線的分辨力下降，會丟失某些中間產物的信息，如對含水化合物慢升溫可以檢出分步失水的一些中間物。

4.3 氣氛的影響

熱天平周圍氣氛的改變對TG曲線影響顯著，CaCO3在真空、空氣和CO2三種氣氛中的TG曲線，其分解溫度相差近600℃，原因在于CO2是CaCO3分解產物，氣氛中存在CO2會抑制CaCO3的分解，使分解溫度提高。空氣氣氛中聚丙烯在150～180℃下會有明顯增重，這是聚丙烯氧化的結果，在N2中就沒有增重。氣流速度一般為40mL／min，流速大對傳熱和溢出氣體擴散有利。

4.4 揮發物的冷凝

分解產物從樣品中揮發出來，往往會在低溫處再冷凝，如果冷凝在吊絲式試樣皿上會造成測得失重結果偏低，而當溫度進一步升高，冷凝物再次揮發會產生假失重，使TG曲線變形。解決的辦法，一般采用加大氣體的流速，使揮發物立即離開試樣皿。

4.5 浮力

浮力變化是由于升溫使樣品周圍的氣體熱膨脹從而相對密度下降，浮力減小，使樣品表觀增重。如：300℃時的浮力可降低到常溫時浮力的1／2，900℃時可降低到約1／4。使用校正方法也就是做空白試驗（空載熱重實驗），消除表觀增重。

5 故障分析與對策

5.1 冷卻水流量變小

5.1.1 恒溫水浴外部管線堵塞

檢查外部管路的清潔度和稠度。如有必要，清洗或更換外部管道。

5.1.2 儀器內部堵塞

在不進行測量時改變冷卻回路的流向，去除堵塞。堵塞未清除，使用氣壓進行吹掃，壓力為1MPa以上。若堵塞物仍存在，更換恒溫浴槽的冷卻劑，用含1%磷酸的水沖洗管道2小時左右。如果堵塞物去除，流量恢復，再更換冷卻水。

5.2 樣品溫度顯示錯誤或溫度不穩

5.2.1 R型熱電偶污染

用空氣，最好是氧氣將測量單元加熱至最高溫度保持1小時。

5.2.2 爐體熱電偶污染

關閉儀器，讓儀器冷卻至室溫。取下左前外殼，左前外殼固定在儀器底部，由3個六角螺釘固定在儀器下面（如圖2）。擰下螺釘，將左前外殼取下。將反射管從爐體法蘭上旋下，同時小心地扶住出氣口活塞，完成后將熔融硅套和反射管以及出氣口活塞拉向左方。只要出氣口活塞還裝在儀器上，熔融硅套就不會落出反射管（如圖3）。移去爐蓋，將隔離套筒拉向左方，直至看到熱電偶為止（如圖4）。在加熱時，熱電偶最好處在氧氣氣氛中。在沒有爐蓋情況下關閉爐體，用大約300 mL／min的氧氣或空氣吹掃測量單元（使用吹掃氣體入口）。在100℃用氧氣或空氣加熱測量單元，至少持續15分鐘。進行檢查（以50K／min從室溫到1000℃），工作正常，恢復爐體［1］。

圖2

圖3

圖4

5 結束語

介紹了TGA／SDTA851e熱重分析儀影響分析的一些因素和常見故障分析，正確使用和維護保養不僅能提高分析結果的準確性，還可延長儀器的使用壽命，減少故障率，是順利開展分析檢測工作的有力保障。

［1］梅特勒托利多TGA／SDTA851e熱重分析儀操作手冊.