材料檢測與分析

熱重分析(thermogravimetric analysis)

熱重分析(TGA)把一件簡單的事做到極致:它在加熱樣品的同時持續稱重,並把重量對溫度畫成圖。每當材料失去質量——水分蒸發、高分子燒盡、礦物釋出二氧化碳——曲線就往下一階,而每一階的溫度與大小告訴你什麼離開了、離開了多少。它是一台放在熱板上的秤,藉由觀察材料變熱時脫落什麼,來判讀它的組成。

樣品坐在爐內一台極靈敏的天平上(微克都要緊),置於選定的氣氛中——惰性的氮氣只看分解,或空氣/氧氣還能把碳燒掉。當溫度升高,每種成分在自己的溫度離開:吸附水約在 100 度 C、高分子黏結劑或許到 400 至 500 度 C、碳黑只有在通入空氣時才燃燒,而穩定的陶瓷或金屬氧化物則留作殘餘。判讀各階的高度,就得到各成分的百分比。

TGA 量測熱穩定性(材料在什麼溫度開始分解)、複合材料與塑膠中的填料與灰分含量、水分,以及複雜材料的分解步驟。與 DSC 搭配,它是高分子與材料實驗室的主力。誠實的限制:TGA 只看見改變質量的變化——沒有質量損失的熔化或固態轉變是隱形的——而且它本身無法說出逸出的氣體「是」什麼;那需要在排氣端接上 FTIR 或質譜儀。

一份玻璃纖維填充尼龍在氮氣中的 TGA,顯示約 100 度 C 處有 1% 的小幅下降(水分)、400 至 500 度 C 之間有 65% 的大幅下降(尼龍分解),以及一段平坦的 34% 殘餘——玻璃纖維——直接給出填料含量。

重量對溫度:每一個向下的階梯都是某物離開;殘餘則是耐得住高溫的部分。

TGA 只記錄改變質量的事件——不減重的熔化或玻璃轉化對它是隱形的(那是 DSC 的工作)。而且 TGA 告訴你有多少氣體、在什麼溫度離開,卻不會告訴你那是什麼氣體,除非你接上 FTIR 或質譜儀。

又稱
TGA熱重法