水蒸氣發生器與熱重分析儀（TGA）聯用是一種強大的技術組合，用于研究材料在受控水蒸氣氣氛下的熱分解行為、反應動力學、氧化/還原行為、吸濕性、水合/脫水過程等。其核心原理在于將精確可控的水蒸氣氣氛引入到原本在惰性氣體（如N?、Ar）或氧化性氣體（如O?、空氣）環境下進行的熱重分析中，從而模擬材料在實際應用（如催化、能源轉化、建筑材料暴露于潮濕環境）中所處的濕熱條件。

一、 核心組件及各自原理

1、 熱重分析儀（TGA）

原理：樣品被置于高精度天平的樣品盤中，在程序控溫（如升溫、恒溫、降溫）條件下，周圍通入特定氣氛（通常是惰性氣體如氮氣，或反應氣體如氧氣）；當樣品發生物理變化（如脫水、揮發）或化學變化（如分解、氧化、還原）時，質量會增加或減少，天平實時記錄質量變化，并輸出 “質量 - 溫度 / 時間” 曲線（TGA 曲線）；通過曲線可分析樣品的熱穩定性（如分解溫度）、反應起始點、產物失重比例等關鍵信息。

功能：在程序控制溫度（升溫、降溫、恒溫）下，連續、高精度的測量樣品質量隨溫度或時間的變化。

核心部件：精密微量天平、樣品支架、程序控溫爐、氣氛控制系統（進氣/出氣口）、數據采集系統。

2、 水蒸氣發生器

功能：產生穩定、可控濃度和流速的水蒸氣/載氣混合氣。

常用原理：

載氣鼓泡法：將干燥的載氣（如N?）通入恒溫水浴中的液態水中。氣體鼓泡穿過水層，攜帶飽和水蒸氣逸出。通過精確控制水浴的溫度，可以精確控制產生的飽和蒸汽壓，從而控制混合氣中的水蒸氣分壓（濃度）。這是最常見且相對簡單的方法。

蒸發/混合法：使用注射泵將液態水以精確的流速注入到一個高溫蒸發室中，水瞬間蒸發成蒸汽。同時，干燥的載氣以精確的流速通入蒸發室，與蒸汽混合。通過獨立調節水的注入速率和載氣流速，可以精確計算并控制混合氣中的水蒸氣濃度。這種方法靈活性更高，可實現更寬的濃度范圍和更快的濃度切換。

關鍵要求：輸出的混合氣濃度必須穩定、可重復、可精確控制。整個發生器和輸送管路需要進行充分的保溫伴熱（通常>150°C），絕對避免水蒸氣在到達TGA樣品區之前發生冷凝。冷凝會導致濃度失控、實驗失敗甚至損壞儀器。

二、 聯用的核心邏輯：氣氛控制+質量監測

聯用系統的核心是將水蒸氣發生器產生的水蒸氣（或含水蒸氣的混合氣氛）定向導入熱重分析儀的樣品室，使樣品在 “水蒸氣氣氛 + 程序控溫” 的雙重條件下被監測。具體流程如下：

1、水蒸氣氣氛的引入與控制

水蒸氣發生器與熱重聯用核心是“穩定輸送水蒸氣至 TGA 樣品區”，需解決兩個關鍵問題：

水蒸氣濃度可控：通過調節水蒸氣發生器的水溫（控制蒸氣壓）、載氣流量（如氮氣鼓泡速度），精確控制進入 TGA 的水蒸氣分壓（或濕度）；

避免冷凝：水蒸氣從發生器到 TGA 樣品室的管路需加熱保溫（溫度高于水蒸氣露點），防止水蒸氣在管路中冷凝（否則會導致氣氛濃度波動，甚至干擾天平精度）；

氣氛兼容性：水蒸氣可單獨作為氣氛，或與其他氣體（如氮氣、氧氣）混合（通過氣體混合器調節比例），模擬復雜實際環境（如潮濕空氣）。

2、熱重監測的針對性分析

樣品在水蒸氣氣氛中受熱時，熱重儀實時記錄質量變化，結合溫度程序，可分析以下特定行為：

物理過程：如樣品對水蒸氣的吸附（質量增加）或脫附（質量減少）、結晶水的分步脫除（對比干燥氣氛下的脫水差異）；

化學過程：如樣品在水蒸氣中發生水解反應（質量變化對應反應進度）、水參與的分解（如某些鹽在水蒸氣中低溫分解）、高溫下的水合反應（質量增加）；

熱穩定性差異：對比“干燥氣氛” 與 “水蒸氣氣氛” 下的 TGA 曲線，判斷水蒸氣是否促進 / 抑制樣品分解（如某些聚合物在潮濕高溫下更易降解）。

三、 聯用的核心目的

通過控制水蒸氣的 “濃度、溫度、與其他氣體的比例”，結合 TGA 的質量監測，可針對性研究：

材料在潮濕環境中的熱失效機制（如鋰電池材料在高溫高濕下的穩定性）；

樣品中結晶水 / 結合水的脫附規律（區分 “自由水” 和 “結合水”，水蒸氣氣氛可抑制過度脫水）；

催化劑在水蒸氣存在下的活性穩定性（如工業催化劑在反應中是否因水蒸氣失活）；

天然產物（如木材、生物質）在濕熱條件下的分解或碳化過程。

總結：

水蒸氣發生器與熱重聯用的本質是：用可控水蒸氣氣氛模擬 “潮濕環境”，通過熱重實時追蹤樣品在該環境下的質量變化，從而揭示水蒸氣參與的物理 / 化學過程與溫度的關聯規律。其核心優勢是將 “氣氛條件” 從傳統的干燥氣體擴展到含水環境，更貼近實際應用場景（如大氣潮濕、工業反應中的水汽）。