1.儀(yí)器的基本構成

熱(rè)重(zhòng)分析(xī)儀(yí)主(zhǔ)要(yào)由熱天(tiān)平(píng)，爐(lú)體(tǐ)加熱係統，程(chéng)序控溫係(xì)統，氣氛控(kòng)製係統(tǒng)，稱(chēng)重變換(huàn)，放大，模/數(shù)轉換(huàn)，數據實(shí)時(shí)采集和記錄等幾部(bù)分組(zǔ)成，通過(guò)計(jì)算機(jī)和(hé)相關軟件(jiàn)進(jìn)行數據處理(lǐ)後(hòu)打(dǎ)印(yìn)出測(cè)試(shì)曲綫(xiàn)和分析數據結(jié)果(guǒ)。儀器結構示意圖(tú)如圖27-3所示(shì)。

圖(tú)27-3熱重(zhòng)分析儀的基本結構框圖

(1)熱天平

熱(rè)天(tiān)平(píng)的(dí)主要(yào)工作(zuò)原理(lǐ)是把電(diàn)路(lù)和天平結合起(qǐ)來(lái)。通過程(chéng)序(xù)控(kòng)溫(wēn)儀(yí)使(shǐ)加熱(rè)電爐(lú)按一定的升(shēng)溫(wēn)速率升溫(或恒(héng)溫)，當(dāng)被測試樣發生質(zhì)量變(biàn)化，光電傳(chuán)感(gǎn)器(qì)能將質量變化(huà)轉化為直流電信號(hào)。此信(xìn)號(hào)經測重電子(zǐ)放大(dà)器(qì)放大並反饋至(zhì)天(tiān)平動圈，產生反向電磁(cí)力矩，驅使(shǐ)天(tiān)平(píng)梁(liáng)復位。反饋形成的電(diàn)位(wèi)差與質量變(biàn)化成正(zhèng)比(即(jí)可(kě)轉(zhuǎn)變(biàn)為樣品的(dí)質量變(biàn)化)。其變化信息(xī)通過記(jì)錄(lù)儀描(miáo)繪出熱(rè)重分析(TGA)曲(qū)綫，熱重(zhòng)分(fēn)析曲綫縱坐標表示(shì)質量損失(shī)(或失重(zhòng)率(shuài))，橫(héng)坐(zuò)標(biāo)表示溫度(或(huò)時間)。根據天平類(lèi)型(xíng)，爐子大(dà)小以及最高測試(shì)溫度(dù)，熱天平(píng)的測量量(liáng)程為(wéi)1～5g不(bù)等，分(fēn)辨(biàn)率為0.1～1ug。

熱天平(píng)結構(gòu)圖(tú)如(rú)圖(tú)27-4所示。電(diàn)壓式(shì)微量熱(rè)天(tiān)平采用的是(shì)差(chà)動變(biàn)壓(yā)器法，即(jí)零(líng)位(wèi)法(fǎ)。用(yòng)光學(xué)方法測(cè)定(dìng)天平梁的傾(qīng)斜(xié)度(dù)，以此信號(hào)調(tiáo)整(zhěng)安裝在天(tiān)平係(xì)統(tǒng)和(hé)磁(cí)場中(zhōng)綫(xiàn)圈的電流，綫圈轉(zhuǎn)動恢(huī)復天平(píng)梁的傾(qīng)斜。另一解(jiě)釋為：當被(bèi)測(cè)物發生質量(liáng)變化(huà)時(shí)，光傳感器(qì)能(néng)將(jiāng)質量(liáng)變(biàn)化轉(zhuǎn)化為直流電信(xìn)號(hào)，此(cǐ)信(xìn)號(hào)經測重放(fàng)大器放大後反饋至天平(píng)動圈(quān)，產生反向電磁力(lì)矩，驅(qū)使(shǐ)天平復位(wèi)。反饋形成(chéng)的(dí)電位(wèi)差與(yǔ)質量變化成正(zhèng)比，即樣(yàng)品(pǐn)的(dí)質(zhì)量(liáng)變(biàn)化(huà)可轉(zhuǎn)變(biàn)電壓(yā)信(xìn)號(hào)。

圖27-4電壓(yā)式微量熱天(tiān)平

平(píng)行導(dǎo)向(xiàng)天平能(néng)夠(gòu)保證樣(yàng)品(pǐn)的位(wèi)置(zhì)不會(huì)影響(xiǎng)重(zhòng)量的(dí)測量，在(zài)熔(róng)融時如(rú)果樣(yàng)品(pǐn)的位置(zhì)改(gǎi)變，樣品(pǐn)重量不(bù)會(huì)發生變化(huà)。

圖(tú)27-5是三種(zhǒng)不同(tóng)的(dí)熱天(tiān)平(píng)設計：上皿(mǐn)式(shì)，垂(chuí)直(zhí)懸(xuán)浮式和平行式。日(rì)本(běn)島津公司(sī)TG-50型熱重分(fēn)析儀采(cǎi)用上皿式(shì)，垂直懸(xuán)浮式；梅特(tè)勒一托(tuō)利(lì)多TGA/SD-TA851^e采(cǎi)用平行式。

圖27-5 熱(rè)天(tiān)平(píng)設(shè)計 箭頭表(biǎo)示(shì)裝樣時爐體(tǐ)運(yùn)動(dòng)方(fāng)向

需要注意(yì)的是：①在(zài)天平和爐(lú)體間(jiān)必須采取(qǔ)結構(gòu)性措施(shī)以(yǐ)保(bǎo)護(hù)天(tiān)平室內的天平免(miǎn)受熱(rè)輻(fú)射的(dí)影響和(hé)腐蝕(shí)性(xìng)分解產物(wù)進入。多(duō)數(shù)情況下(xià)，用(yòng)保(bǎo)護性(xìng)氣體(tǐ)吹(chuī)掃天平罩。②必(bì)須(xū)使(shǐ)用恒溫水浴(yù)槽(梅特(tè)勒(lè)-托利(lì)多(duō)熱天(tiān)平是這樣)，通過(guò)對天(tiān)平(píng)室進(jìn)行恒(héng)溫，可(kě)以確(què)保(bǎo)稱量(liáng)信(xìn)號有良(liáng)好的重(zhòng)現性。

(2)加熱爐(lú)

爐體包括爐管(guǎn)，爐(lú)蓋，爐體加熱(rè)器(qì)和隔離(lí)護(hù)套(圖27-6)。爐(lú)體加(jiā)熱器位(wèi)於(yú)爐管表麵(miàn)的(dí)凹槽(cáo)中。爐(lú)管(guǎn)的(dí)內徑根(gēn)據(jù)爐子的(dí)類型(xíng)而(ér)有(yǒu)所不(bù)同。TGA/SDTA851^e的爐體(tǐ)為水平結(jié)構(gòu)，由(yóu)此(cǐ)可(kě)以減(jiǎn)小氣流引(yǐn)起的擾(rǎo)動，最(zuì)高溫度可(kě)加熱到1100℃。高溫(wēn)型的可(kě)到1600℃，甚至高(gāo)。

圖27-6爐(lú)體結(jié)構(gòu)圖

1-氣體(tǐ)出(chū)口(kǒu)活(huó)塞(sāi)，石(shí)英玻璃;2-前部(bù)護(hù)套(tào)，氧(yǎng)化鋁(lǚ);3-壓(yā)縮彈簧，不鏽(xiù)鋼;4-後(hòu)部(bù)護套(tào)，氧化鋁(lǚ);5-爐(lú)蓋(gài)，氧化(huà)鋁;6-樣品盤，鉑/銠;7-爐溫(wēn)傳感器，R型熱(rè)電(diàn)偶;8-樣品溫度傳(chuán)感器(qì)，R型熱電(diàn)偶;9-冷卻循環連(lián)接(jiē)夾(jiā)套，鍍鎳黃(huáng)銅;10-爐體法(fǎ)蘭冷卻(què)連接，鍍(dù)鎳黃(huáng)銅;11-爐休法(fǎ)蘭，加工過(guò)的鋁;12-轉(zhuǎn)向齒條，不鏽(xiù)鋼(gāng);13-收集盤，加(jiā)工過的鋁;14-開(kāi)啟樣(yàng)品(pǐn)室的(dí)爐子(zǐ)馬(mǎ)達(dá);15-真(zhēn)空和(hé)吹掃氣體入(rù)口，不(bù)鏽鋼;16.保護(hù)性(xìng)氣(qì)體入(rù)口(kǒu)，不(bù)鏽鋼;17-用螺絲調(tiáo)節的夾(jiā)子(zǐ)，鋁;18-冷卻夾套(tào)，加(jiā)工過(guò)的(dí)鋁(lǚ);19-反射管，鎳(niè);20-隔(gé)離護(hù)套，氧化(huà)鋁;21-爐(lú)子加熱(rè)器，坎(kǎn)薩(sà)爾(ěr)斯鉻鋁電(diàn)熱(rè)絲Al通路(lù);22-爐(lú)管，氧化鋁;23-反應性氣(qì)體(tǐ)導管(guǎn)，氧(yǎng)化鋁;24-樣品(pǐn)支架，氧化鋁(lǚ);25-爐體(tǐ)天(tiān)平室墊圈(quān)，氟橡膠(jiāo);26-隔板，擋板，不鏽鋼(gāng);27-爐子與天(tiān)平室(shì)間的(dí)墊(diàn)圈(quān)，矽橡(xiàng)膠;28-反應(yīng)性(xìng)氣體入口，不鏽(xiù)鋼(gāng);29-天(tiān)平室，加工過的鋁

(3)程序(xù)控(kòng)溫係統

爐(lú)子溫(wēn)度(dù)增加(jiā)的速率(shuài)受溫度程(chéng)序(xù)的控(kòng)製，其程(chéng)序(xù)控製器(qì)能夠在不同的(dí)溫度範圍內進(jìn)行(háng)綫(xiàn)性(xìng)溫度(dù)控(kòng)製，如果升溫(wēn)速率是非綫性的(dí)將會(huì)影(yǐng)響到(dào)TGA曲綫。程(chéng)序(xù)控製器的另一特點是，對於(yú)綫(xiàn)性輸送電(diàn)壓(yā)和周圍溫度(dù)變(biàn)化必須是(shì)穩(wěn)定(dìng)的，並(bìng)能夠與不同類型(xíng)的(dí)熱電(diàn)偶(ǒu)相匹配。

當(dāng)輸(shū)入測試(shì)條(tiáo)件之後(hòu)(如(rú)從50℃開始(shǐ)，升至(zhì)1000℃，升溫速(sù)率(shuài)為20℃/min)，溫(wēn)度(dù)控製係(xì)統會按照(zhào)所(suǒ)設置的(dí)條(tiáo)件(jiàn)程序升(shēng)溫，準確執行發出(chū)的指(zhǐ)令。溫度(dù)準(zhǔn)確(què)度(dù)，±0.25℃;溫(wēn)度範(fàn)圍(wéi)，室溫～1100℃。這些(xiē)控溫(wēn)程(chéng)序均由熱電(diàn)偶(ǒu)傳感器(qì)(簡(jiǎn)稱熱(rè)電(diàn)偶)執(zhí)行(háng)，熱(rè)電偶為鉑金(jīn)材料，分(fēn)為(wéi)樣(yàng)品溫度(dù)熱電(diàn)偶和爐子溫度熱(rè)電(diàn)偶。樣品溫(wēn)度熱(rè)電偶直(zhí)接位於樣(yàng)品(pǐn)盤的下(xià)方(fāng)，這樣就保(bǎo)證(zhèng)了樣品(pǐn)離樣品溫(wēn)度(dù)測量點比較(jiào)近，溫(wēn)度誤差(chà)小(xiǎo);爐(lú)子(zǐ)溫度熱(rè)電(diàn)偶測量(liáng)爐溫並控(kòng)製爐(lú)子(zǐ)的電源，其(qí)位於爐管(guǎn)的(dí)表麵(miàn)。

(4)氣氛控製(zhì)係統(tǒng)

梅特勒一(yī)托(tuō)利(lì)多(duō)的(dí)氣氛(fēn)控製係(xì)統分兩路，一(yī)路是反應(yīng)氣體(tǐ)，經由反(fǎn)應性氣(qì)體毛細管導(dǎo)入(rù)到樣(yàng)品(pǐn)池(chí)附(fù)近，並隨樣品一(yī)起(qǐ)進(jìn)入爐腔，使(shǐ)樣品的(dí)整個測試過(guò)程一直(zhí)處於某種(zhǒng)氣(qì)氛(fēn)的(dí)保(bǎo)護中(zhōng)。至於通入什麼(mó)氣體(tǐ)，要以樣品而(ér)定，有的樣品需要(yào)通入參與(yǔ)反(fǎn)應的氣(qì)體，而(ér)有的則需要(yào)不(bù)參(cān)加反應(yīng)的惰性氣體；另一(yī)路(lù)是(shì)對天(tiān)平的保(bǎo)護氣體(tǐ)，通(tōng)入並對(duì)天(tiān)平室(shì)內進行吹(chuī)掃，防止樣品(pǐn)在(zài)加(jiā)熱過(guò)程(chéng)中(zhōng)發(fā)生(shēng)化(huà)學(xué)反(fǎn)應(yīng)時放(fàng)出的(dí)腐(fǔ)蝕性(xìng)氣體進(jìn)入(rù)天平室，這樣(yàng)既(jì)可以使(shǐ)天(tiān)平得到很(hěn)高的精度(dù)，也(yě)可以延長熱(rè)天平(píng)的使(shǐ)用壽命。

(5）自(zì)動進(jìn)樣(yàng)器(qì)

現(xiàn)在很多儀器商(shāng)都(dū)開(kāi)發出(chū)自(zì)動進樣(yàng)的功能，在(zài)設(shè)置好(hǎo)測試(shì)條件的前提(tí)下按照(zhào)指(zhǐ)令(líng)執行測試任務(wù)，使儀器連(lián)續(xù)24 h不間斷(duàn)地工作，大(dà)大(dà)提高了工(gōng)作(zuò)效(xiào)率。自(zì)動進(jìn)樣(yàng)器以梅(méi)特(tè)勒(lè)-托利多TGA/SDTA851^e為例，能處理(lǐ)多(duō)達34個(gè)樣(yàng)品，每種(zhǒng)樣品(pǐn)都(dū)可(kě)用不同的(dí)方(fāng)法和不同的坩(gān)堝(guō)，且(qiě)一旦(dàn)坩堝放的位(wèi)置(zhì)和設置的位(wèi)置不(bù)一(yī)致或自動進(jìn)樣(yàng)器(qì)的(dí)蓋(gài)子沒(méi)蓋好(hǎo)，或(huò)儀(yí)器有(yǒu)異(yì)常情況發(fā)生，儀器(qì)工(gōng)作界(jiè)麵馬上(shàng)彈(dàn)出(chū)一個窗口加(jiā)以(yǐ)提示(shì)，並(bìng)停(tíng)止工(gōng)作，直(zhí)至糾正錯誤(wù)為(wéi)止。圖27-7為(wéi)自(zì)動進樣(yàng)器的(dí)機(jī)械(xiè)手(shǒu)，圖(tú)27-8為自(zì)動(dòng)進樣器的樣(yàng)品池。

圖(tú)27-7自動(dòng)進樣器的機(jī)械手

自動進樣(yàng)器(qì)可采取全自(zì)動進(jìn)樣和半自(zì)動(dòng)進樣，全自(zì)動(dòng)進(jìn)樣(yàng)是天平連接到計(jì)算機，先(xiān)把坩(gān)堝質量自(zì)動(dòng)稱重，手動(dòng)加入樣(yàng)品後(hòu)，儀器自動稱重後(hòu)將(jiāng)樣(yàng)品的(dí)質(zhì)量數據送(sòng)至記錄(lù)軟件(jiàn)，此方(fāng)法適(shì)合測試(shì)質量(liáng)範(fàn)圍較寬的樣(yàng)品。半(bàn)自(zì)動(dòng)進樣不(bù)是在(zài)儀(yí)器內進行(háng)，先用(yòng)單(dān)獨的(dí)天平稱重(zhòng)，然後(hòu)將坩(gān)堝放入自(zì)動進樣器(qì)，將質量數據(jù)手動(dòng)輸入(rù)軟(ruǎn)件日常(cháng)工作窗(chuāng)口，這種方法(fǎ)可以(yǐ)人為(wéi)控(kòng)製樣品(pǐn)量(liáng)的多(duō)少，如測(cè)含能材料和反應比較劇(jù)烈的(dí)樣品用此(cǐ)方法(fǎ)較(jiào)好。

注：如果是(shì)揮發性很(hěn)強(qiáng)的(dí)樣品，則不(bù)適(shì)宜(yí)用自動(dòng)進(jìn)樣排隊(duì)等待(dài)進行(háng)測(cè)試(shì)，最好是(shì)稱好樣(yàng)品後馬上測(cè)試(shì)。

圖27-8自動進(jìn)樣(yàng)器樣品池

2.工作原(yuán)理

進行(háng)熱(rè)重測試時(shí)，試(shì)樣質量m經稱(chēng)重(zhòng)變(biàn)換(huàn)器變(biàn)成與質量成(chéng)正比(bǐ)的(dí)直流電(diàn)壓，經稱重(zhòng)放(fàng)大器(qì)放大後，送到模(mó)/數轉換(huàn)器(qì)，再(zài)送(sòng)到計算機，計(jì)算機采集了質量轉變(biàn)為(wéi)電壓的信(xìn)號，同時(shí)也(yě)采(cǎi)集(jí)了(liǎo)質量對(duì)時(shí)間的(dí)一次(cì)導數(shù)(也(yě)稱微分(fēn))信(xìn)號(hào)以(yǐ)及溫(wēn)度信(xìn)號。然(rán)後(hòu)對(duì)這三個信(xìn)號進(jìn)行數據(jù)處理(lǐ)，經處理後的曲(qū)綫(xiàn)由顯示器顯示，對此(cǐ)曲(qū)綫(xiàn)進行數(shù)據分(fēn)析並(bìng)打印(yìn)圖(tú)譜(pǔ)。