氮氣與壓縮空氣在實驗室TGA應用

熱重分析儀（Thermogravimetric Analyzer, TGA）是一種通過測量樣品在受控溫度程序下（通常是升溫、降溫或恆溫）隨著溫度或時間變化的質量損失或增益來分析材料熱穩定性和成分的儀器。主要功能包括：

質量變化測量：檢測樣品因分解、氧化、脫水、揮發等過程引起的質量變化。
熱穩定性分析：確定材料在高溫下的穩定性及分解溫度。
成分分析：通過質量損失特徵鑑定樣品中的有機物、無機物、溶劑、添加劑等成分比例。
反應動力學研究：分析材料在熱處理過程中的反應速率和機理。
吸附與解吸研究：研究材料對氣體或液體的吸附/解吸行為。

主要用於研究材料的熱穩定性、成分和反應特性，廣泛應用於材料科學、化學、製藥、能源、環境和食品等領域，為產品研發、質量控制和學術研究提供重要數據支持。

TGA應用操作過程會使用到一些氣體與需要潔淨乾燥的壓縮空氣，氣體之中的用氣量又以高純度的氮氣 (N₂) 使用流量較多，當然潔淨乾燥壓縮空氣 (CDA, Clean Dry Air)的用量更大一些，因此我們在這邊不討論適合使用鋼瓶Cylinders的其他氣體，例如：氬氣 (Ar)、氧氣 (O₂)、氦氣 (H₂) 、CO及CO₂…。

高純度氮氣在熱重分析儀TGA的主要功能應用

氮氣 (N₂) 在熱重分析儀（TGA，Thermogravimetric Analyzer）中的應用主要與提供惰性氣氛和控制實驗環境有關。其功能與應用主要如下說明：

提供惰性無氧或低氧的環境

功能：氮氣是一種惰性氣體，用於在熱重分析過程中為樣品提供無氧或低氧的環境。這可以防止樣品在高溫下與氧氣發生氧化反應，從而確保測量結果反映樣品的真實熱分解行為。
應用：
- 在分析有機材料、聚合物或金屬時，氮氣可避免氧化導致質量損失或生成氧化物，確保數據準確性。
- 研究樣品熱分解、揮發性成分損失或碳化過程時，氮氣能更好地模擬無氧條件。

氮氣產生器能夠控制無氧或低氧環境穩定性

功能：氮氣產生器提供穩定、純淨的氮氣流，確保熱重分析儀內的無氧或低氧濃度保持一致性，避免外界空氣或其他雜質的干擾。
應用：
- 在長時間的熱重分析實驗中，氮氣產生器能持續供應高純度氮氣，維持穩定的氣流和壓力，減少實驗誤差。
- 對於需要精確控制氣氛的實驗（如研究材料在特定條件下的熱穩定性），氮氣產生器是不可或缺的。

保護儀器和延長設備壽命

功能：氮氣作為載氣或吹掃氣體，可以減少熱重分析儀內部高溫區域的腐蝕或積碳，保護儀器關鍵部件。
應用：
- 在高溫實驗中，氮氣可吹掃爐體，防止分解產物沉積在儀器內部。
- 降低氧氣濃度，減少高溫下對加熱元件或傳感器的損害。

氮氣產生器能提高實驗靈活性

功能：氮氣產生器能按需提供氮氣，無需依賴氣瓶，方便實驗室操作並降低成本。
應用：
- 對於需要頻繁切換氣氛（例如從氮氣切換到空氣或其他氣體）的實驗，氮氣產生器提供即時氣源，提升效率。
- 適用於需要不同氮氣流量與純度的實驗條件要求，通過流量調節器調整流量、壓力與純度輸出來滿足特定需求。

熱重分析儀TGA對於氮氣要求規範

純度Purity

要求：氮氣純度通常需要達到 ≥99.999%（5N）的規格，部分高精度實驗可能要求 ≥99.9999%（6N）。
原因：
- 低純度氮氣可能含有氧氣、水分或其他雜質，導致樣品在高溫下氧化或產生副反應，影響熱重曲線的準確性。
- 雜質可能沉積在儀器內部（如天平或爐體），影響長期穩定性。
應用：高純度氮氣適用於研究有機物、聚合物、金屬或其他對氧敏感材料的熱分解行為。

氣體乾燥程度Dew Point

要求：露點溫度應低於 -40°C，理想情況下低於 -60°C（即水分含量極低，<10 ppm）。
原因：
- 水分可能與樣品反應，特別是在高溫下，導致質量變化數據失真。
- 水分可能冷凝在儀器內部，損壞微量天平或傳感器。
解決方案：使用氮氣產生器時，需配備低路點信譽值得信賴的氧化鋁或化學分子篩的吸附式乾燥機 (器)；使用氣瓶時，確保氣源經過乾燥處理。

氣體潔淨程度

要求：無油、無塵，固態顆粒物含量應符合要求顆粒數量並且低於 0.01 µm，另一方面氣體含油(氣)量也應低於0.01mg/m³。
原因：油污或顆粒可能污染樣品或沉積在儀器內部，影響天平靈敏度或爐體清潔度。

壓力與流量

壓力：通常為 2-5 bar（具體取決於儀器型號），需穩定以避免氣流波動。
流量：一般為 20-100 mL/min，根據實驗需求（如吹掃速率或氣氛控制）調節。
原因：穩定的壓力和流量確保氣氛均勻，避免對天平測量產生干擾。

Chromalytic氮氣產生器的選型

英國Chromalytic提供科研實驗室各種氣體產生器超過30年以上的歷史，累積相當專業的經驗，在台灣由未來服務工業(股)公司擔當總代理提供在地服務；Chromalytic提供下列各種規格的氮氣產生器。我們基於對於空壓機系統資深的經驗，因為空壓機是高發熱的轉動機械，運轉過程會產生高壓縮熱而需要妥善排熱設計與各種維護；任何氮氣產生器內置的空壓機系統必須在極狹小的空間安裝一套空壓機系統，只能選擇商用型微型空壓機，應對氮氣流量需要持續供應的實驗場域，要不就是容易降低妥善率，要不就是1~3年就必須更換整套內置空壓機系統，因此我們會強烈建議選用 (U)HP1 或 (U)HP2 無內置空壓站的氮氣產生器系列產品，提高系統的使用彈性。

潔淨乾燥空壓機系統規劃選型

科研實驗室與系統服務商最好依據整個場域各種科學儀器使用壓縮空氣的流量、壓力與壓縮空氣品質妥善規劃空壓機系統；依據我們的經驗，空壓機採用工業級超靜音無油式空壓機是最基本的要件，然後搭配氮氣產生器或者是其他科學儀器的要求空氣品質，以配置潔淨乾燥的機器或裝置，確保輸出的壓縮空氣能夠滿足對應各項規範並且提高妥善率。

岩田一馬力無油渦卷式空壓機

國際0級百分之百無油認證取得。

輸出流量 : 64L/min @ 6.5~8.0 bar。

內置乾燥器壓力露點溫度<15℃；需搭配吸附式乾燥機 (器) 方能達到氮氣產生器使用。

岩田二/三馬力無油渦卷式空壓機

國際0級百分之百無油認證取得。

輸出流量 : 170L/min @ 6.5~8.0 bar / 255L/min @ 6.5~8.0 bar (可提供8.0~10.0 bar機型)。

內置乾燥器壓力露點溫度<15℃；需搭配吸附式乾燥機 (器) 方能達到氮氣產生器使用。

結論與建議

熱重分析儀對氮氣和潔淨乾燥壓縮空氣的要求主要集中在高純度（氮氣≥99.999%，空氣無油無雜質）、低露點（<-40°C）、穩定壓力與流量（2-7 bar，20-200 mL/min）以及高潔淨度（無油無塵）。這些要求確保實驗數據的準確性、儀器的長期穩定性和樣品的真實熱行為反映。使用氮氣產生器或無油壓縮機時，需配備高效過濾和乾燥系統，並定期維護以滿足需求。

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