熱重分析儀的操作需嚴格遵循規范，以確保實驗數據的準確性與可靠性。本文從設備準備、樣品制備、操作步驟、數據解析及注意事項等方面，詳細介紹TGA的使用方法，并結合實驗優化策略，為科研人員提供全面參考，提升實驗效率與數據質量。
一、設備準備與校準
儀器校準
質量校準：使用標準砝碼(如10mg、50mg)進行天平校準，確保質量測量誤差≤-0.01mg。
溫度校準：采用標準熔點物質(如銦、鋅)進行溫度校準，確保溫度測量誤-差≤±1℃。
基線校準：在空坩堝條件下進行基線測試，確保無質量漂移或噪聲干擾。
環境檢查
實驗室環境：確保實驗室溫度穩定(20-25℃)、濕度≤60%、無振動源(如離心機、空調)。
氣體供應：檢查氮氣或氧氣純度(≥99.995%)，氣體流量調節至合適值(如20-50mL/min)，避免氣流波動影響實驗結果。
儀器預熱
開啟氮氣供應、總電源與循環水，預熱30分鐘，確保儀器達到穩定工作狀態。
二、樣品制備與預處理
樣品量控制
粉末樣品：用量為3-10mg，確保樣品均勻分布在坩堝底部，避免局部過熱。
塊狀或薄膜樣品：直徑不超過3mm，高度不超過2mm，必要時切割或研磨處理。
樣品干燥
對于吸濕性樣品(如無機鹽、生物質)，實驗前在真空干燥箱中60℃干燥12小時，避免水分干擾。
對于易氧化樣品(如金屬粉末)，在惰性氣體保護下進行干燥處理。
容器選擇
鋁坩堝：適用于400℃以下的測試，成本低但易與酸性物質反應。
陶瓷坩堝：適用于800℃以下的中溫測試，耐化學腐蝕但質量較大。
鉑坩堝：適用于高溫測試(如1200℃)，但成本高且易被金屬污染。
三、操作步驟與參數設置
放置樣品
抬起加溫爐，將參比物(氧化鋁空坩堝)與樣品坩堝分別放置在支撐桿的左右托盤上，確保托盤平衡。
關閉加溫爐，檢查密封性，避免氣體泄漏。
設置參數
升溫程序：設置初始溫度(如30℃)、終止溫度(如800℃)、升溫速率(如10℃/min)及等溫保持時間(如0min)。
氣氛控制：選擇惰性氣體(如氮氣)或反應氣體(如氧氣)，設置氣體流量(如30mL/min)。
數據采集：設置采樣間隔(如1s/點)，確保數據密度足夠分析反應細節。
啟動實驗
確認參數無誤后，點擊“開始”按鈕，儀器自動執行升溫程序并記錄數據。
實驗過程中實時觀察TG曲線與DTG曲線，記錄異常現象(如質量突降、基線漂移)。
四、數據解析與報告生成
曲線歸一化
對TG曲線進行初始質量歸一化處理，便于比較不同樣品的質量變化。
例如，將初始質量設為100%，后續質量變化以百分比形式表示。
峰形解析
結合TG曲線與DTG曲線，解析吸熱峰、放熱峰與質量變化的對應關系。
例如，在聚合物熱分解中，TG曲線顯示質量損失階段，DTG曲線顯示分解速率峰值溫度。
動力學分析
采用Coats-Redfern法、Friedman法等動力學模型，計算活化能、指前因子等參數。
例如，通過不同升溫速率下的TG曲線，繪制ln(β/T²) vs 1/T曲線，計算活化能。
報告生成
包含實驗條件(樣品名稱、質量、升溫速率、氣氛)、TG曲線、DTG曲線、動力學參數及結論。
例如，報告結論可寫為：“樣品在350℃開始分解，活化能為120 kJ/mol，屬于一級反應。”
五、注意事項與故障排查
安全操作
實驗過程中避免觸摸高溫部件(如加溫爐、坩堝)，防止燙傷。
對于有毒或易燃樣品，在通風櫥內操作，并配備氣體檢測儀。
氣體控制
實驗結束后關閉氣體供應，避免過大氣流導致儀器損壞。
定期檢查氣體過濾器，防止堵塞影響氣流穩定性。
儀器維護
定期清洗爐蓋、排氣管與支架桿，防止污染物堆積影響測試精度。
每月進行一次基線校準，每季度進行一次質量與溫度校準。
常見故障與解決方法
TG曲線異常波動：檢查實驗室是否存在振動源，或氣體過濾器是否堵塞。
質量測量不準確：重新校準天平，或檢查坩堝是否放置平穩。
溫度控制不穩定：檢查PID參數設置，或更換加熱元件。
六、實驗優化策略
升溫速率優化
對于快速反應(如爆炸物分解)，采用高升溫速率(如20℃/min)以捕捉細節。
對于緩慢反應(如結晶水失重)，采用低升溫速率(如5℃/min)以提高分辨率。
氣氛優化
對于氧化反應，采用空氣或氧氣氣氛;對于還原反應，采用氫氣或惰性氣體。
例如，在研究金屬氧化時，采用空氣氣氛并設置氣體流量梯度(如30-50mL/min)。
樣品預處理優化
對于易揮發樣品，采用密封坩堝或壓片處理，減少質量損失。
對于多組分樣品，采用梯度升溫法分離不同組分的分解階段。
七、總結
熱重分析儀的操作需結合嚴格規范與實驗優化策略，以確保數據的準確性與可靠性。通過規范設備準備、樣品制備、參數設置及數據解析，科研人員可高效獲取材料的熱行為信息，為材料研發與工藝優化提供科學依據。未來，隨著TGA技術的智能化與多場耦合發展，實驗效率與數據質量將進一步提升，推動材料科學的創新與應用。
