简介

    热重分析法(TGA)十分适合研究燃烧过程。通过热重分析，能够快速得到大多数固体燃料的热稳定性、反应温度和燃烧动力学，还能够定量分析燃烧过程中的质量损失和不可燃的无机灰分含量。相比于其他反应，如分解、脱水或者溶剂挥发，燃烧属于气-固反应。因此，除了所有传统的测量参数如样品质量、升温速率以及吹扫气流量必须保持一致，测量结果还受样品表面积、氧气浓度和坩埚尺寸的影响，这些因素都会影响固体和反应气氛的接触。

    为了研究这个问题，本文在其他条件相同的情况下，使用不同几何尺寸的坩埚在NETZSCH STA上进行了一系列的测试。
    图1和图3显示了不同种类的坩埚，图2是带孔DTA坩埚的放大图。

图1、Al2O3 坩埚种类(从左至右)：平台，短DTA 坩埚，标准坩埚，带孔DTA 坩埚，MiniDTA 坩埚

图2、带孔DTA坩埚

    测试所用的样品为各种炭黑标准品，如NIST 2975、Printex 90、活性炭以及碳球，碳球样品为无机结构，直径约为1-2mm，粉末样品的平均粒径约为20-50nm。

    结果

    使用图1中的坩埚对NIST 2975炭黑样品进行测试，坩埚尺寸见表1，样品填充程度(样品质量相同)见图3。

图3、坩埚种类，前视图(上图)，俯视图(下图)

    表1、图1 中的坩埚尺寸

*只用于比较，该坩埚不属于耐驰配件

    使用氧气作为吹扫气，通过燃烧温度和燃烧速率(DTG曲线)便能够区分不同坩埚测试结果的微小差异(图4)。

    如果吹扫气中氧气浓度从20%(图5)降低至5%(图6)，由坩埚尺寸带来的影响越发显著。使用带孔DTA坩埚和平台测试，样品与反应气氛的接触更充分，反应温度相对较低(DTG峰值温度较低)。固体样品和反应气氛的接触面积越小，反应温度向高温漂移的倾向性越大，且反应速率降低(DTG 曲线)。

    当氮气浓度与氧气浓度比例为95:5时，带孔DTA坩埚测试的反应速率几乎和平台坩埚测试的一样。从反应过程上看，带孔DTA坩埚(图2)与短DTA坩埚的测试结果和平台坩埚最接近，但这两种坩埚使用起来比平台更为便捷。

图4、100%氧气浓度下NIST 2975样品的TGA-DTG结果

图5、20%氧气浓度下NIST 2975样品的TGA-DTG结果

图6、5%氧气浓度下NIST 2975样品的TGA-DTG结果

    图7显示了吹扫气中氧气浓度对燃烧温度的影响。

图7、吹扫气中氧气浓度与结果的关系

    使用同种坩埚测试不同类型的炭黑并进行比较结果，发现热稳定性、燃烧温度、燃烧速率以及残余质量等特征值都有显著差异，图8所示为TGA曲线的比较，图9所示为DTG曲线的比较。

图8、四种不同类型炭黑的比较(TGA曲线，短DTA坩埚)

图9、四种不同类型炭黑的比较(DTG曲线，短DTA坩埚)

    结论
    上述测试结果表明，坩埚尺寸对样品与吹扫气的反应有显著影响，文中测试的炭黑燃烧就是一例。在其他测试条件相同的情况下，只要使用同一种类型的坩埚，就能够对一系列的测试结果进行比较。进行动力学研究时，所有基本的测量条件，包括坩埚尺寸对反应速率的影响都必须加以考虑。在这个案例中，使用平台和带孔DTA坩埚比较适宜。