熱分析技術之淺談熱重分析儀基本技術原理與應用

1.熱分析是什麼？

熱分析（Thermal Analysis）是研究材料在受熱過程中，隨著溫度變化所產生的物理性質或化學性質變化的一類技術總稱。這些變化可能包括質量、體積、熱容、導熱率、膨脹性或其他熱相關性質。

• 可用來分析材料的熱穩定性與分解溫度
• 幫助了解材料在不同環境下的行為
• 廣泛應用於材料、化工、製藥等領域

2.熱分析的分類與技術簡介

熱分析依據測量對象與應用目的，可分為多種技術方法。常見分類如下：

• 熱重分析（TGA）：測量樣品重量隨溫度的變化。
• 差示掃描量熱分析（DSC）：測量樣品與參考物在加熱過程中的熱流差。
• 差熱分析（DTA）：分析樣品與參考物的溫度差異。
• 動態機械分析（DMA）：測量材料的機械性質隨溫度變化的情況。
• 熱機分析（TMA）：分析材料的膨脹或收縮行為。

3.熱重分析原理及儀器結構

熱分析是儀器分析技術中其中一個重要的分支，它對物質的隨著溫度升高或降低的現象，描述其物理特性的變化。熱分析技術從礦物、金屬的分析開始興起，近幾十年來，在高分子科學和藥物分析等方面蓬勃發展。
熱重分析法（Thermogravimetry Analysis，簡稱TG或TGA）為使樣品處於一定的溫度程序控制下（升/降/恆溫），觀察樣品質量隨溫度或時間的變化過程，獲取失重比例、失重溫度、以及分解殘留量等相關資訊。
TGA方法廣泛應用於塑料、橡膠、塗料、藥品、催化劑、無機材料、金屬材料與複合材料等各領域的研究開發、質地優化與品質監控。可以測定材料在不同氣體下的熱穩定性與氧化穩定性，可對分解、吸附、解吸附、氧化、還原等物理變化過程進行分析，包括利用TGA測試結果進一步作反應動力學的研究探討。可對物質進行成分的定量計算，測定水分、揮發成分及各種添加劑與填充劑的含量。

圖1.熱重分析儀結構簡易示意圖

爐體為加熱體，在一定的溫度程序下運作，爐內可通以不同的動態氣體（如N2、Ar、He等保護性氣體，O2、Air等氧化性氣體及其他特殊氣體等），或在真空或靜態氣體下進行測試。在測試程序中樣品支架下部連接高精度的天平，隨時感測到樣品當前的重量變化，並將資料回傳送到電腦，由電腦算出樣品重量對溫度／時間的曲線（TG曲線）。