熱重分析儀密封性能對實驗結果影響的研究

　　熱分析儀器爐體是否密封良好?對測試結果將產生什麼影響?氮氣是否起到保護作用?

　　熱重法測試炭黑含量的基本流程是：在氮氣保護條件下，將樣品升溫至高溫區某一溫度，恆溫5分鐘，後通入氧氣，繼續保持恆溫至樣品重量不再損失。

　　熱重分析儀天平在稱重時，支架不能與其他物體接觸，因此目前部分常規熱重分析儀的爐體為非密封狀態。在需要通入氮氣進行保護的實驗中，空氣進入非密封的爐體，會使樣品與空氣中的氧氣或其他氣體發生反應，從而導致樣品測試結果失真，表現為氮氣保護段重量損失偏大，氧氣氧化段(即炭黑含量)重量損失偏小。

　　上海盈諾精密儀器有限公司依據客戶提出的測試需求：「熱重法測試炭黑含量」，而研發的一款TGA-C系列熱重分析儀，增加了密封系統、天平恆溫系統，避免空氣進入的影響，使測試炭黑含量更加準確。

　　TGA-C系列熱重分析儀、ZH-C系列綜合熱分析儀的成功研發，彌補了爐體漏氣的問題，實驗中通入氮氣時，空氣不能進入爐體，從而使樣品的升溫過程處於氮氣的保護之下，避免了炭黑的提前氧化。

　　為了探討密封系統對實驗結果的影響，分別在兩種不同結構的設備上進行了對比實驗(樣品為2016年江陰某單位提供的色母粒)：

　　使用該樣品進行實驗的原因是由於其炭黑含量高。當爐體漏氣時，炭黑與空氣中的氧氣發生反應，生成灰分，殘渣中會出現一部分灰白色組分。可依據其判斷爐體是否密封完好，是否有空氣的進入;也可根據殘渣中灰分的含量，判斷其密封效果。

圖1 未進行實驗的色母粒顆粒樣品

圖2 色母粒在兩種不同型號設備上進行實驗後的殘渣

　　從圖2中可以看出，在兩種型號設備上進行的三次實驗中，殘渣出現灰分的量有顯著差異。

　　TGA-A/B系列產品在不通氣實驗條件下，殘渣中可觀察到大量灰分，說明樣品氧化程度較高;

　　TGA-A/B系列產品在通入氮氣進行實驗時，存在少量灰分，說明僅有部分樣品被氧化，實驗中有部分空氣進入，與不通氣時的結果進行對比，灰分減少，證明該設備在通入氮氣時，對樣品反應起到一定的保護作用，但並未完全保護;

　　TGA-C系列產品實驗後的殘渣均為黑色粉末，未發現炭黑被氧化，證明該設備密封性良好，達到氮氣保護的作用。

圖3 常規熱重分析儀TGA-1000B(TGA-A/B系列)未通入氣體條件下的熱重曲線

　　TGA-A/B系列產品在未通氣條件下，樣品重量持續損失，結合圖2可知，持續失重的部分是炭黑，炭黑與空氣中的氧反應，生成CO₂，使樣品的重量損失。

圖4 常規熱重分析儀TGA-1000B(TGA-A/B系列)在氮氣保護條件下的熱重曲線

　　TGA-A/B系列產品在通氮氣條件下，樣品重量緩慢損失，結合圖2與圖3可知，由於空氣進入量少，樣品的氧化較慢。

圖5 加密封系統熱重分析儀TGA-1000C(TGA-C系列)在氮氣保護條件下的熱重曲線

　　TGA-C系列產品在通氮氣條件下，從圖5可以看出，重量保持穩定，結合圖2中殘渣的外觀，未觀測到炭黑被氧化，證明該設備密封性良好，可以起到氮氣保護的作用。

　　註：實驗條件為：起始溫度為室溫，終止溫度為650℃，在650℃保持恆溫30分鐘(參照炭黑含量測試儀「垂直燃燒法」中熱解實驗條件進行)。

　　結語：根據以上信息說明，如果樣品中存在易被氧化的成分(或含有易與空氣中某氣體反應的成分)，實驗條件要求通入氮氣或其他非腐蝕性氣體保護，或要求切換實驗中的惰性氣體與其他氣體，建議根據對實驗結果誤差大小的要求，選擇TGA-A/B或者TGA-C系列設備：

產品系列	特點與精度	產品型號
TGA-A	國產普通天平，0.1mg	TGA-1000A,TGA-1250A,TGA-1450A,TGA-1550A
TGA-B	國產優質天平，0.01mg	TGA-1000B,TGA-1250B,TGA-1450B,TGA-1550B
TGA-C	國產優質天平，0.01mg	TGA-1000C,TGA-1250C,TGA-1450C,TGA-1550C
TGA-QB	賽多利斯優質天平，0.01mg	TGA-Q1000B,TGA-Q1250B,TGA-Q1450B,TGA-Q1550B
TGA-QC	賽多利斯優質天平，0.01mg	TGA-Q1000C,TGA-Q1250C,TGA-Q1450C,TGA-Q1550C

　　盈諾進階的TGA-Q系列熱重分析儀、綜合熱分析，採用德國進口賽多利斯十萬分之一克天平，數據更加穩定，性價比更高，僅需5mg微量樣品即可進行實驗測試數據，包括TGA-QB與TGA-QC系列。

圖6 搭載賽多利斯天平設備的熱重曲線（進樣量：5mg）

　　如對文中數據和論點保有問題，歡迎與盈諾聯繫，進行實驗的比對與探討，期待著各位科研人員的指正。

(供稿：上海盈諾)