STA 449F3型同步热分析仪的维护和购置

袁泽红 许 青

（1.北京航空航天大学材料科学与工程学院；2.首都航天机械公司 北京100191）

1 引言

同步热分析（Simultaneous Thermal Analysis，简称STA）是将TG与DTA或DSC结合为一体，在同一次测量中利用同一样品可同步得到样品热重与差热信息［1］。STA 449F3是德国NETZSCH生产的一台同步DSC－TG热分析仪，广泛应用于陶瓷、玻璃、金属／合金、矿物、催化剂、含能材料、塑胶高分子、涂料、医药、食品等各种领域，而现今对该型号设备的综合描述并不多，因此本文以STA 449F3为例，结合实际工作对STA的基本原理及特点、日常维护进行简单介绍，对该设备在购置时需考虑的因素进行总结，为该设备的使用和购置提供参考和帮助。

2 STA的基本原理及特点

DSC是指在程序温度（升／降／恒温及其组合）的过程中，测量样品与参考物之间的热流差，以表征所有与热效应有关的物理变化和化学变化。TG是指在程序温度（升／降／恒温及其组合）过程中，观察样品的质量随温度或时间的变化过程。STA的意义在于将TG信号和DSC相结合，可以区分热效应的来源，更深入地分析样品反应。

相比单独的TG或DSC测试，STA具有如下显著优点：（1）消除称重、样品均匀性、升温速率一致性、气氛压力与流量差异等因素影响，TG与DTA／DSC曲线对应性更佳。（2）根据某一热效应是否对应质量变化，有助于判别该热效应所对应的物化过程（如区分熔融峰、结晶峰、相变峰与分解峰、氧化峰等）；（3）实时跟踪样品质量随温度／时间的变化，在反应温度处知道样品的当前实际质量，有利于反应热焓的准确计算。但是联用技术由于炉腔相对单DSC的大，因此在较低温度范围内温度控制有滞后，且DSC基线在200℃前漂移比单独的DSC大很多［2］。

3 日常维护

北航分析测试中心购置的STA 449F3配置的炉体为Rh（铑丝）炉体和TG－DSC传感器，由于热电偶裸露在外对金属蒸汽很敏感，此外金属、金属有机物、低熔点氧化物、惰性气体对其具有还原性，需特别注意。中心所接收的委托样品主要包含有高分子有机物、碳纳米管、陶瓷、高温合金、非晶合金等，样品相对比较杂，因此存在很多潜在的危害。由于某些材料在高温下的挥发、分解或反应释放气体不可避免地会对炉体与样品支架造成一定的污染，有的污染可以清理掉，有的污染可能会直接造成设备使用寿命的缩短甚至损坏。炉体和样品支架是整台设备最娇贵的部分，内含加热元件和温度传感器，因此是整台设备维护的核心。

3.1 测试前样品确认

在做样品之前应预先了解样品成分及物理性质，确定样品在高、低温下无强氧化性、还原性（如：有单质砷、硫、硅、碳等挥发物的样品不可放入），估计在使用气氛下、设定温度范围内可能会发生什么反应，是否发生鼓泡、溢出等可能损坏传感器的现象［2］。对于热反应剧烈或在反应过程中易产生气泡的样品，应适当减少样品量，且采用加盖的方式避免样品溢出对传感器造成污染，如高分子有机物的分解测试。确保样品在测试过程中不会释放有害气体，损坏传感器和热电偶，其中金属蒸汽可能会与传感器材质合金化，从而无法清除，因此对于金属样品的测试，需查《常见金属蒸汽压表格》，确保在测试温度范围内样品不会挥发。针对样品及样品测试条件选择合适的坩埚，对不熟悉的样品必须进行预实验（如利用马弗炉进行预烧），确保样品在测试温度范围内不与坩埚发生反应。

3.2 炉体的清理

STA 449F3炉体污染物类别主要有机类、碳黑类、无机类及金属挥发附着污染等。根据污染的类别，有如下处理方式：

（1）有机类、碳黑类污染：可在动态吹扫的空气气氛下，直接烧至1000℃左右，即可将污染物除去。测试完有机类样品后，需要在高温下测试金属或合金类样品时，建议将炉体清理后再进行测试。

（2）无机类污染：戴上防护手套，一手捏住传感器支架杆，另一手使用棉花棒蘸上稀盐酸或稀氢氟酸（对于硅酸盐类污染物较为有效），轻轻擦拭DSC传感器表面，尽量拭去污染物。若单纯用酸无法有效去除污染物，也可拔下支架，将传感器头部浸入稀盐酸或稀氢氟酸中，浸泡数小时后再取出，擦去污染物（须注意酸的液面只需足够浸到传感器面盘即可，需避免Al2O3杆与酸接触，否则由于毛细效应，酸液容易沿细杆内的间隙上爬到支架底部，对底部连接部件造成腐蚀），随后再用去离子水擦拭，再在空气气氛下烧至1200℃以上。

（3）金属挥发附着污染：对于此类污染目前没有特别有效的清除方法。

3.3 恒温水浴的维护

恒温水浴将炉体与天平两部分相隔离，可以有效防止当炉体处于高温时热量传导到天平模块，保证高精度天平处于稳定的温度环境下，确保热重信号的稳定性，一般水浴设定的温度值应比环境温度高2～3℃。恒温水浴采用蒸馏水或去离子水，建议三个月更换一次循环水，若污染较严重可缩短更换周期。过滤滤芯脏时要及时清洗，一般一月更换一次，滤芯可用10%的草酸溶液超声波清洗。在样品测试过程中或者恒温水浴关闭后重启有时会发生尖锐的鸣声，此时需关闭水浴电源，检查恒温水槽中的水是否浸没水泵，检查排风处是否有灰尘堆积等，对于灰尘较大的实验室需定期清理。

3.4 Pt／Rh坩埚的使用

Pt／Rh坩埚在使用时容易发生与传感器发生粘黏的情况，因此需格外注意。除了使用时注意样品与坩埚是否反应外还需要注意坩埚的使用温度范围。Pt／Rh坩埚在1200℃有重结晶现象（晶粒长大），坩埚和DSC传感器都是Pt合金材料，在高温下也有晶粒生长现象，所以可能会粘黏，因此坩埚的使用温度最高不要超过1500℃，且每次测量后，需要把样品坩埚和参比坩埚取下后再放回进行下一次测试。当样品测试温度＞1200℃时，也可以在坩锅与传感器托盘之间放置一片氧化铝垫片，避免粘连情况的发生。

4 购置STA 449F3时需考虑的因素

对于同步热分析仪的购置需紧密结合自身测试及应用需求，选择不同的性能指标，主要考虑的因素有测试温度范围和样品类别，因此大致可从炉体、传感器（样品支架）、坩埚和气氛配置及其他特殊应用等方面入手。

4.1 炉体

炉体由发热体、保护套管与炉体热电偶构成，为满足不同的应用要求，可根据测试温度范围及精度要求，配备不同温度范围与性能指标的炉体，如表1所示。为满足更广的测温需求可同时配备多种不同温度范围与性能指标的炉体，有单炉体、双炉体、单炉体加ASC（自动进样器）3种配置方式，如图1所示。

表1 炉体种类

图1 炉体配置方式

4.2 传感器（样品支架）

STA 449F3配置的为可插拔的样品支架，可以根据不同的测试需求选择配置不同的样品支架（如表2所示），从而获得更高灵敏度与最佳重复性的数据。其中TG－DSC传感器，适合绝大多数应用场合，但金属蒸汽对该类型传感器影响很大；TG－DTA传感器，适合于对防腐蚀有特殊要求的场合，因热电偶尖端有陶瓷管保护，适合于未知样品的测量，但其热性能稍差；大样品量TG传感器，适合于大体积样品（如大量纤维、粉末、液体和发泡样品）的测量；平台型TG传感器，适合大体积样品或气固反应研究，例如吸附、氧化还原等；悬挂型TG，适用于片状样品等。

4.3 坩埚

同步热分析仪根据不同测试温度范围、样品种类及测试应用，可配备众多不同材质（Al2O3、Pt、Graphite、Al、Cu、ZrO2等等）、不同压力范围、不同外形与尺寸规格的坩埚，如图2所示。其中，最常用的坩埚有Al坩埚、Al2O3坩埚和Pt／Rh坩埚，特殊应用的坩埚有石墨坩埚（可做高温含氟材料），Cu坩埚（可做氧化诱导期（OIT）测试）［3］等。

4.4 气体配置

同步热分析仪可同时连接两种不同的吹扫气类型，并根据需要在测量过程中自动切换或相互混合。

表2 样品支架种类

图2 不同材质和外形尺寸的坩埚

常见的接法是其中一路连接N2或Ar作为惰性吹扫气氛，应用于常规应用；另一路连接空气或氧气，作为氧化性气氛使用。因高温下部分金属会与N2反应生成氮化物，所以测试金属样品时可选用Ar、He作为吹扫气氛。

4.5 其他附件

为了适应不同的应用需求，还可以选择配置一些具有特殊功能的附件。对于测试一些需要在完全惰性气氛下极易被氧化的样品，可配置OTS吸氧附件，能吸附气氛中少量的残留氧，防止样品被氧化。在得到热分析信息的同时，需要对热分析过程中的逸出气体进行检测，可配置热红接口或热质接口将热分析仪与红外光谱仪或质谱仪联用，从而进行更加深入的分析。

5 结束语

随着科学研究领域的不断发展，热分析样品的种类越来越多，样品成分也越来越复杂，选择合适的热分析设备，在提高分析测试技术的同时做好仪器的维护与保养工作，延长设备使用寿命显得十分重要。本文仅从自身的使用经验入手，为初学者提供参考和帮助，也希望更多的工作者能够不断地总结经验并加强交流，为设备的使用和维护提供更加有力地保障。

［1］蔡燕燕，戴燕，谭卫红.同步热分析联用仪器的特点和维护［A］.中国化学会第十六届化学热力学和热分析学术会议论文集［C］.2012：15－16.

［2］李海燕，徐颖.热重－差热联用仪的特点和维护［J］.分析仪器，2011，（6）：83－86.

［3］张立军，刘丽军，姜进宪，等.差示扫描量热法测定塑料氧化诱导时间和氧化诱导温度［J］.橡塑技术与装备，2010，36（6）：12－15.