Thermogravimetric Analyzer 熱重量分析儀

Thermogravimetric Analyzer

熱重量分析儀

TGA : 重量變化的量測儀器重量變化的量測儀器重量變化的量測儀器重量變化的量測儀器

TGA: 定義定義定義定義

熱重量分析儀(Thermogravimetric Analysis,TGA)

係指將樣品置於一受控制的環境下給予一可控制

的溫度程式, 然後量測其重量隨時間或溫度而變

化的回應. 通常透過此種分析可獲得樣品耐熱性

及組成份的資訊. 在其間樣品可因為種種物理或

化學變化而引起重量的減少或增加, 使用者必須

對樣品具備足夠的認識才能加以判斷究屬何者?

TGA: 告訴您哪些事告訴您哪些事告訴您哪些事告訴您哪些事?

�Composition of Multicomponent Systems

�Thermal Stability of Materials

�Oxidative Stability of Materials

�Estimated Lifetime of a Product

�Decomposition Kinetics of Materials

�The Effect of Reactive or Corrosive Atmospheres on

Materials

�Moisture and Volatiles Content of Materials

TGA 2950/2050/Q50/Q500: 外觀結構圖外觀結構圖外觀結構圖外觀結構圖

Photodiodes

Infrared LED

Meter movement

Balance arm

Tare pan

Sample platform

Thermocouple

Sample pan

Furnace assembly

Purge gas outlet

Heater

Elevator base

Purge gas inlet

Sample pan holder

獨特的加熱爐設計獨特的加熱爐設計獨特的加熱爐設計獨特的加熱爐設計

Responsive Heater System

1) Low mass furnace core can

achieve heating rates up to

200 deg/min easily.

2) Water cooled jacket provides

ability to quickly reach

isothermal equilibrium.

3) Automated furnace

movement

4) Easy connection for off

gases

5) Easy furnace removal for

cleaning

6) Forced Air Cooling

1

3

4

5

2

6


Unique Gas Flow Design BenefitsThere is a fresh, continuous,

horizontal sweep of purge

gas across the sample. This

provides better resolution of

transitions because of faster

burn-offs. Using designs

where the sample is in a

sample cup or in a furnace

cup prevent a fresh sweep of

gas across the sample. A

stale pocket of gas can form

over the top of the sample

causing non-repeatable

decomposition profiles.


Same Sample/Control Thermocouple

The same thermocouple used

for accurate measurement of

the sample temperature is

also used for controlling the

furnace. The benefit of this

unique capability is a highly

responsive furnace. In

particular, this design

provides superior isothermal

temperature control. A

second thermocouple in the

same ceramic sleeve is a

backup thermocouple for

safety purposes.

Q500 Upgrade Option

Reliable Autosampler

Q500 Upgrade Options

•Hi-Res™ TGA

•Modulated ™ TGA

Hi-Res™ TGA

PVC TGA Thermoplot Compared

110

-10

10

30

50

70

90

200 300 400 500 600

Temperature (°°°°C)

Weig

ht

(%)

--- Conventional

.... Dynamic

__ Stepwise Isothermal

Q 50/500 TGA

Choice of sample pans

�Experimental Note

TGA:

TGA: 影響基線穩定的因素影響基線穩定的因素影響基線穩定的因素影響基線穩定的因素

�實驗桌面的穩定性實驗桌面的穩定性實驗桌面的穩定性實驗桌面的穩定性

�白金懸吊絲的狀況白金懸吊絲的狀況白金懸吊絲的狀況白金懸吊絲的狀況

�金屬懸吊管的狀況金屬懸吊管的狀況金屬懸吊管的狀況金屬懸吊管的狀況

�TGA機台的水平機台的水平機台的水平機台的水平

�加熱爐的清潔程度加熱爐的清潔程度加熱爐的清潔程度加熱爐的清潔程度

�洗滌氣體的流量與穩定性洗滌氣體的流量與穩定性洗滌氣體的流量與穩定性洗滌氣體的流量與穩定性

TGA: 洗滌氣體洗滌氣體洗滌氣體洗滌氣體(Purge Gas)

�最常用的是氮氣最常用的是氮氣最常用的是氮氣最常用的是氮氣

�氦氣的基線最佳氦氣的基線最佳氦氣的基線最佳氦氣的基線最佳

�若成分間彼此對氧化的速率有差異時若成分間彼此對氧化的速率有差異時若成分間彼此對氧化的速率有差異時若成分間彼此對氧化的速率有差異時, 則空氣可以增則空氣可以增則空氣可以增則空氣可以增

進解析度進解析度進解析度進解析度

�可用草酸銅可用草酸銅可用草酸銅可用草酸銅(Copper oxalate)來偵測是否有殘氧的污來偵測是否有殘氧的污來偵測是否有殘氧的污來偵測是否有殘氧的污

染染染染

TGA: 使用草酸銅使用草酸銅使用草酸銅使用草酸銅(Copper Oxalate)檢查氮氣中是檢查氮氣中是檢查氮氣中是檢查氮氣中是

否殘存氧氣否殘存氧氣否殘存氧氣否殘存氧氣?(全圖全圖全圖全圖)

0 100 200 300 400 500 600

40

60

80

100

120

-1

0

1

2

3

Temperature (℃℃℃℃)

Weight (%

)

[------------] Deriv. W

eight (%

/ ℃℃ ℃℃)320.79 ℃℃℃℃

+

TGA: 使用草酸銅使用草酸銅使用草酸銅使用草酸銅(Copper Oxalate)檢查氮氣中是檢查氮氣中是檢查氮氣中是檢查氮氣中是

否殘存氧氣否殘存氧氣否殘存氧氣否殘存氧氣?(部分放大圖部分放大圖部分放大圖部分放大圖)

300 350 400 450 500 550 600


41

42

43

44

45

46

We

igh

t (%

)

High Oxygen

Medium Oxygen

Low Oxygen

TGA: 溫度校正溫度校正溫度校正溫度校正 -

居禮點居禮點居禮點居禮點(Curie Point)轉移法轉移法轉移法轉移法

temp

Sample

Furnace

Tare

%Offset

Magnet

Vertical Balance Configuration - TGA 2050/2950

Attraction of Sample to Magnet

Results in Initial Weight Gain

TGA/SDT:溫度校正溫度校正溫度校正溫度校正 -

居禮點居禮點居禮點居禮點(Curie Point)轉移實例轉移實例轉移實例轉移實例

200 250 300 350 400


95

100

105

110

115

120

125

We

igh

t (%

)

NICKEL THEORETICAL 354℃℃℃℃

361.15℃℃℃℃

TGA: 如何製備樣品如何製備樣品如何製備樣品如何製備樣品?

�越大的總表面積有越佳的解析度及溫度再現性越大的總表面積有越佳的解析度及溫度再現性越大的總表面積有越佳的解析度及溫度再現性越大的總表面積有越佳的解析度及溫度再現性

�樣品重量樣品重量樣品重量樣品重量

一般樣品用一般樣品用一般樣品用一般樣品用 10-20mg

揮發性樣品用揮發性樣品用揮發性樣品用揮發性樣品用 50-100mg

�大多數情形大多數情形大多數情形大多數情形TGA本身的基線漂移量大約有本身的基線漂移量大約有本身的基線漂移量大約有本身的基線漂移量大約有+0.025mg , 意即意即意即意即

對一對一對一對一 10mg 樣品量而言有樣品量而言有樣品量而言有樣品量而言有 +0.25% 的誤差的誤差的誤差的誤差

�使用銅製鑷子以減少靜電干擾使用銅製鑷子以減少靜電干擾使用銅製鑷子以減少靜電干擾使用銅製鑷子以減少靜電干擾

�每次實驗都要用乾淨的樣品盤歸零每次實驗都要用乾淨的樣品盤歸零每次實驗都要用乾淨的樣品盤歸零每次實驗都要用乾淨的樣品盤歸零

�樣品要平均分布在底面樣品要平均分布在底面樣品要平均分布在底面樣品要平均分布在底面

�液態樣品則事先封妥在有針孔的密封樣品盤內液態樣品則事先封妥在有針孔的密封樣品盤內液態樣品則事先封妥在有針孔的密封樣品盤內液態樣品則事先封妥在有針孔的密封樣品盤內

�Platinum (useful for most materials)

�Easy to Clean

�Nonporous

�Alloys with most metals

�Alumina (Ceramic)

�Corrosives/Inorganics

�Large samples

�Aluminum (TGA) (designed for one-time use)

�Lower cost

�Lower temperature limit (<=600)

TGA: 選用適當的樣品盤選用適當的樣品盤選用適當的樣品盤選用適當的樣品盤(1)

TGA:選用適當的樣品盤選用適當的樣品盤選用適當的樣品盤選用適當的樣品盤(2)

CeramicPlatinum

Aluminum

50 µL

100 µL100 µL

250 µL500 µL

Platinum and Aluminum pans

have attached wire bail.Ceramic pans have

removeable wire bail.

TGA/SDT: 如何清潔樣品盤如何清潔樣品盤如何清潔樣品盤如何清潔樣品盤?

�All sample pans are reusable (except Aluminum)

�Flame remaining residue from pan with torch (do not

flame Aluminum pans)

�Scrape off remaining ash (DSC fiberglass brush)

�Tare clean sample pan before each run

TGA: 代表性的應用例子代表性的應用例子代表性的應用例子代表性的應用例子

�Thermal Stability

�Compositional Analysis

�Oxidative Stability

TGA: 評估高分子材料耐溫性與特性分解圖評估高分子材料耐溫性與特性分解圖評估高分子材料耐溫性與特性分解圖評估高分子材料耐溫性與特性分解圖

0 100 200 300 400 500 600 700 800

0

20

40

60

80

100

TEMPERATURE (℃℃℃℃)

WEIGHT PERCENT PVC

PMMA HPPE PTFE

PI

wt. : 10 mg

prog.: 5℃

atm.,: N2

TGA:評估高分子材料耐溫性評估高分子材料耐溫性評估高分子材料耐溫性評估高分子材料耐溫性

KAPTON

POLYBENZIMIDAZOLE

POLYSULFONENOMEX

POLYCARBONATE

POLY(PHENYLENE OXIDE)

5-10 mg.

AIR

20℃/MIN


Wig

ht

loss(%

)

TGA: 觀察在不同反應溫度下之環氧樹脂的觀察在不同反應溫度下之環氧樹脂的觀察在不同反應溫度下之環氧樹脂的觀察在不同反應溫度下之環氧樹脂的

熱分解特性熱分解特性熱分解特性熱分解特性

100℃ 125℃

150℃175℃

200℃

Prog: 10℃/min


Wig

ht

loss(%

)

TGA:成分分析的應用成分分析的應用成分分析的應用成分分析的應用-

草酸鈣草酸鈣草酸鈣草酸鈣(Calcium Oxalate)

0 200 400 600 800 1000

20

40

60

80

100

120

-2

0

2

4

6

8

10


Weight (%

)

[------------] Deriv. W

eight (%

/min)

12.3%

WATER 19.2% CO

30.0% CO2


EVA 共聚合物共聚合物共聚合物共聚合物 [J. Chiu, Appl. Polym. Sym., 2, 25 (1966)]

200 300 400 500 600 700

0

50

100

TEMPERATURE (C)

WEIGHT PERCENT

23%

390 size : 100 mg

prog : 5℃/min

atm : N 2

Acetic Acid

Vinyl acetate (VA) %= wt loss of acetic

acid x mol wt of VA / mol weight of acetic

acid


氟碳共聚物氟碳共聚物氟碳共聚物氟碳共聚物 Fluorocarbon Mixture

J. Chiu, Appl. Palm. Sym., 2, 25 (1966)

200 300 400 500 600 700

0

20

40

60

80

100


WEIGHT (%)

85% PCTFE

15% PTFE

Size: 100 mg

Prog: 5a24a

Atm: N2

Polychlorotrifluoroethylene/Polytetrafluroethylene


複合材料的分離技巧複合材料的分離技巧複合材料的分離技巧複合材料的分離技巧

31.0% PTFE

18.0% C

50.5% Si 0 2

size : 10 mg

prog : 5℃

N20.5% VOLATILES

AIR


Wig

ht

loss(%

)

0


輪胎的分離技巧輪胎的分離技巧輪胎的分離技巧輪胎的分離技巧

Polymer

Carbon Black

Mineral Filler + Ash

Air(A)

Polymer

Carbon Black

Air(B)

"Light" Oil

Ash

Polymer +

"Heavy" Oil

Carbon Black

Air

Ash

(C)

100

0

100

100

0

0

WE

IGH

T (

%)


TGA:氧化安定性的應用氧化安定性的應用氧化安定性的應用氧化安定性的應用-

植物油植物油植物油植物油(Vegetable Oil)

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90

25

50

75

100

125

TIME (Min.)

TEMP (℃℃ ℃℃)

137

-WEIGHT CHANGE +

Sample Size: 5.18 mg

Temperature: 137℃

Atmosphere: 0 at 50 mL/min2

0 2

0.05

57 MINUTES

FIRST DEVIATION

�TGA-MS

TGA:

TGA:氧化安定性的應用氧化安定性的應用氧化安定性的應用氧化安定性的應用-

環氧樹脂環氧樹脂環氧樹脂環氧樹脂(Epoxy)

Without Flame Retardant

With Flame

Retardant

Size: 20 mg

Prog.: 10℃/min

Atm.: Air at 40 mL/min


Wig

ht

loss(%

)

Q 50/500 Upgrade

Option EGA Furnace

TGA-MS: 成分鑑定的利器成分鑑定的利器成分鑑定的利器成分鑑定的利器

毛細管介面毛細管介面毛細管介面毛細管介面(Capillary Interface)

CONNECTOR TGA FURNACE

SAMPLE PAN

SILICA-LINED

STAINLESS STEEL

CAPILLARY

HEATING

CONNECTION

1 mm GAP

MOLECULAR LEAK

(SILICON CARBIDE FRIT)

TO MASS SPECTROMETER

QUADRUPOLE

TEFLON SEAL

TO SECOND STAGE

OF ROTARY PUMP

TGA-MS: 成分鑑定的利器成分鑑定的利器成分鑑定的利器成分鑑定的利器

決定高分子組成決定高分子組成決定高分子組成決定高分子組成(EVA共聚物共聚物共聚物共聚物)

0 100 200 300 400 500 600

0

20

40

60

80

100

120


TGA W

eight (%

)

0 100 200 300 400 500 600

Temperature (℃℃℃℃)MS Intensity

14% Vinyl

Acetate40% Vinyl

Acetate

Initial Weight Loss

(Acetic Acid) indicates

Vinyl Acetate Level

14% Vinyl

Acetate

40% Vinyl

Acetate

Mass 60

(Acetic

Acid)

Mass 56

(Hydrocarbon)

TGA智慧調變溫控技術智慧調變溫控技術智慧調變溫控技術智慧調變溫控技術

High Resolution TGA(HRTGA)

Stepwise TGA(STGA)

Modulated TGA(MTGA)

mdsc.pre

傳統傳統傳統傳統TGA –提高解析度的對策與限制提高解析度的對策與限制提高解析度的對策與限制提高解析度的對策與限制

�降低升溫速率降低升溫速率降低升溫速率降低升溫速率--浪費時間且不見得有效浪費時間且不見得有效浪費時間且不見得有效浪費時間且不見得有效

�減少樣品量減少樣品量減少樣品量減少樣品量--同時會提高雜訊與誤差同時會提高雜訊與誤差同時會提高雜訊與誤差同時會提高雜訊與誤差

�提高總表面積提高總表面積提高總表面積提高總表面積--增增增增加製備困難度加製備困難度加製備困難度加製備困難度

�改變洗滌氣體改變洗滌氣體改變洗滌氣體改變洗滌氣體,如氦氣如氦氣如氦氣如氦氣--浪浪浪浪費錢費錢費錢費錢

�採用針孔密封盤採用針孔密封盤採用針孔密封盤採用針孔密封盤--只只只只有某些樣品適用有某些樣品適用有某些樣品適用有某些樣品適用

傳統傳統傳統傳統TGA傳統做法傳統做法傳統做法傳統做法 –二水硫酸鈣二水硫酸鈣二水硫酸鈣二水硫酸鈣(Open Pan)

105

100

95

90

85

80

75

0.6

0.4

0.2

0.0

-0.2

0 50 100 150 200 250 300 350

Temperature (℃)

Weig

ht

(%)

[

]

Deriv.

Weig

ht (%

/ ℃

)

傳統傳統傳統傳統TGA改善做法改善做法改善做法改善做法 –二水硫酸鈣二水硫酸鈣二水硫酸鈣二水硫酸鈣

(Pinhole Lid Pan)

105

100

95

90

85

80

75

0 50 100 150 200 250 300

Temperature (℃)

We

igh

t (%

)

350

0.8

0.6

0.4

0.2

0.0

-0.2

[

]

De

riv.

We

igh

t (%

/℃

)

導致傳統導致傳統導致傳統導致傳統TGA解析度不彰的原因解析度不彰的原因解析度不彰的原因解析度不彰的原因:

�複雜的熱掃描圖譜又逢寬闊的失重特性複雜的熱掃描圖譜又逢寬闊的失重特性複雜的熱掃描圖譜又逢寬闊的失重特性複雜的熱掃描圖譜又逢寬闊的失重特性

and/or

�重疊重疊重疊重疊-前者未去前者未去前者未去前者未去,後者又生後者又生後者又生後者又生

Hi-Res TGA –開創提高解析度的另一途徑開創提高解析度的另一途徑開創提高解析度的另一途徑開創提高解析度的另一途徑

Hi-Res TGA –結合精確的爐溫控制與結合精確的爐溫控制與結合精確的爐溫控制與結合精確的爐溫控制與

智慧型的溫控策略智慧型的溫控策略智慧型的溫控策略智慧型的溫控策略

�三種手法三種手法三種手法三種手法:

�Dynamic (Hi-Res) TGA

動態溫控策略動態溫控策略動態溫控策略動態溫控策略

�Constant Reaction Rate TGA

固定失重速率策略固定失重速率策略固定失重速率策略固定失重速率策略

�Step Wise Isothermal TGA

步階恆溫與固定升溫速率策略步階恆溫與固定升溫速率策略步階恆溫與固定升溫速率策略步階恆溫與固定升溫速率策略

TGA: Hi-Res TGA –

何謂何謂何謂何謂 Dynamic TGA?

一旦失一旦失一旦失一旦失重速率發生變化時重速率發生變化時重速率發生變化時重速率發生變化時,系統依據使用者指系統依據使用者指系統依據使用者指系統依據使用者指

定之實驗條件定之實驗條件定之實驗條件定之實驗條件(最大加熱速率最大加熱速率最大加熱速率最大加熱速率;靈敏度靈敏度靈敏度靈敏度;解析度解析度解析度解析度)

自動改變加熱速率自動改變加熱速率自動改變加熱速率自動改變加熱速率; 而此加熱速率的改變係而此加熱速率的改變係而此加熱速率的改變係而此加熱速率的改變係

以動態調諧的方式進行以動態調諧的方式進行以動態調諧的方式進行以動態調諧的方式進行,一點都不勉強一點都不勉強一點都不勉強一點都不勉強,得以得以得以得以

獲得高解析且避免發生誤判獲得高解析且避免發生誤判獲得高解析且避免發生誤判獲得高解析且避免發生誤判.

Hi-Res TGA - Dynamic Rate

好處看得見好處看得見好處看得見好處看得見

�輕輕鬆鬆找到適當的實驗條件輕輕鬆鬆找到適當的實驗條件輕輕鬆鬆找到適當的實驗條件輕輕鬆鬆找到適當的實驗條件

�迅速在寬廣的溫度範圍內尋獲優異的解析度迅速在寬廣的溫度範圍內尋獲優異的解析度迅速在寬廣的溫度範圍內尋獲優異的解析度迅速在寬廣的溫度範圍內尋獲優異的解析度

�不必要求對樣品事先有充分了解不必要求對樣品事先有充分了解不必要求對樣品事先有充分了解不必要求對樣品事先有充分了解

�即便一無所知即便一無所知即便一無所知即便一無所知, 仍然可以在短時間內得到相當不仍然可以在短時間內得到相當不仍然可以在短時間內得到相當不仍然可以在短時間內得到相當不

錯的解析度錯的解析度錯的解析度錯的解析度

Hi-Res TGA - Dynamic Rate

舉一個溫控程式的例子舉一個溫控程式的例子舉一個溫控程式的例子舉一個溫控程式的例子

1. Sensitivity 2.0

2. Ramp 50℃℃℃℃/min, Res. 5.0 to 1000℃℃℃℃

說明說明說明說明:

50℃℃℃℃/min : Max. ramp rate

Res. 5.0 : Resolution setting (0 to +8.0)

2.0 : Sensitivity setting (1.0-8.0)

1000℃℃℃℃ : Final temperature

TGA: 分離兩種碳酸鹽類分離兩種碳酸鹽類分離兩種碳酸鹽類分離兩種碳酸鹽類 -

Conventional TGA at 20℃℃℃℃/min.

100

Temperature (℃)

150 200 250 300

Weig

ht

(%)

110

100

90

80

70

60

NAHCO3 KHCO3

0 50

WATER

10

8

6

4

2

0

-2

(

) D

eriv.

Weig

ht

(%/m

in)

13 minutes

TGA:分離兩種碳酸鹽類分離兩種碳酸鹽類分離兩種碳酸鹽類分離兩種碳酸鹽類 -

Conventional TGA at 1℃℃℃℃/min.

0 50 100 150 200 250 300

60

70

80

90

100

-0.2

0.0

0.2

0.4

0.6

0.8

1.0


Weight (%

)

[------------] Deriv. W

eight (%

/min)

170

MINUTES

TGA:分離兩種碳酸鹽類分離兩種碳酸鹽類分離兩種碳酸鹽類分離兩種碳酸鹽類 –

Hi-Res TGA (Dynamic Rate)

0 50 100 150 200 250 300

60

70

80

90

100

110

-0.2

0.0

0.2

0.4

0.6

0.8


Weig

ht

(%)

[---

----

----

-] D

eri

v. W

eig

ht

(%/m

in)9.5 MINUTES

Hi-Res TGA (Dynamic Rate)比較比較比較比較解析度解析度解析度解析度1-8

樣品樣品樣品樣品:碳酸氫鉀與碳酸氫鈉各半碳酸氫鉀與碳酸氫鈉各半碳酸氫鉀與碳酸氫鈉各半碳酸氫鉀與碳酸氫鈉各半(Air Purge)

1℃/min

Normal

Ramp

20℃/min

Normal

RampResolution

Setting 8 7 6 5 4 3 2 1

3 3


Wig

ht

loss(%

)

Thermogravimetric Analyzer 熱重量分析儀

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