水蒸气发生器与热重分析仪（TGA）联用是一种强大的技术组合，用于研究材料在受控水蒸气气氛下的热分解行为、反应动力学、氧化/还原行为、吸湿性、水合/脱水过程等。其核心原理在于将精确可控的水蒸气气氛引入到原本在惰性气体（如N₂、Ar）或氧化性气体（如O₂、空气）环境下进行的热重分析中，从而模拟材料在实际应用（如催化、能源转化、建筑材料暴露于潮湿环境）中所处的湿热条件。

一、 核心组件及各自原理

1、 热重分析仪（TGA）

原理：样品被置于高精度天平的样品盘中，在程序控温（如升温、恒温、降温）条件下，周围通入特定气氛（通常是惰性气体如氮气，或反应气体如氧气）；当样品发生物理变化（如脱水、挥发）或化学变化（如分解、氧化、还原）时，质量会增加或减少，天平实时记录质量变化，并输出 “质量 - 温度 / 时间” 曲线（TGA 曲线）；通过曲线可分析样品的热稳定性（如分解温度）、反应起始点、产物失重比例等关键信息。

功能：在程序控制温度（升温、降温、恒温）下，连续、高精度的测量样品质量随温度或时间的变化。

核心部件：精密微量天平、样品支架、程序控温炉、气氛控制系统（进气/出气口）、数据采集系统。

2、 水蒸气发生器

功能：产生稳定、可控浓度和流速的水蒸气/载气混合气。

常用原理：

载气鼓泡法：将干燥的载气（如N₂）通入恒温水浴中的液态水中。气体鼓泡穿过水层，携带饱和水蒸气逸出。通过精确控制水浴的温度，可以精确控制产生的饱和蒸汽压，从而控制混合气中的水蒸气分压（浓度）。这是最常见且相对简单的方法。

蒸发/混合法：使用注射泵将液态水以精确的流速注入到一个高温蒸发室中，水瞬间蒸发成蒸汽。同时，干燥的载气以精确的流速通入蒸发室，与蒸汽混合。通过独立调节水的注入速率和载气流速，可以精确计算并控制混合气中的水蒸气浓度。这种方法灵活性更高，可实现更宽的浓度范围和更快的浓度切换。

关键要求：输出的混合气浓度必须稳定、可重复、可精确控制。整个发生器和输送管路需要进行充分的保温伴热（通常>150°C），绝对避免水蒸气在到达TGA样品区之前发生冷凝。冷凝会导致浓度失控、实验失败甚至损坏仪器。

二、 联用的核心逻辑：气氛控制+质量监测

联用系统的核心是将水蒸气发生器产生的水蒸气（或含水蒸气的混合气氛）定向导入热重分析仪的样品室，使样品在 “水蒸气气氛 + 程序控温” 的双重条件下被监测。具体流程如下：

1、 水蒸气气氛的引入与控制

水蒸气发生器与热重联用核心是 “稳定输送水蒸气至 TGA 样品区”，需解决两个关键问题：

水蒸气浓度可控：通过调节水蒸气发生器的水温（控制蒸气压）、载气流量（如氮气鼓泡速度），精确控制进入 TGA 的水蒸气分压（或湿度）；

避免冷凝：水蒸气从发生器到 TGA 样品室的管路需加热保温（温度高于水蒸气露点），防止水蒸气在管路中冷凝（否则会导致气氛浓度波动，甚至干扰天平精度）；

气氛兼容性：水蒸气可单独作为气氛，或与其他气体（如氮气、氧气）混合（通过气体混合器调节比例），模拟复杂实际环境（如潮湿空气）。

2、 热重监测的针对性分析

样品在水蒸气气氛中受热时，热重仪实时记录质量变化，结合温度程序，可分析以下特定行为：

物理过程：如样品对水蒸气的吸附（质量增加）或脱附（质量减少）、结晶水的分步脱除（对比干燥气氛下的脱水差异）；

化学过程：如样品在水蒸气中发生水解反应（质量变化对应反应进度）、水参与的分解（如某些盐在水蒸气中低温分解）、高温下的水合反应（质量增加）；

热稳定性差异：对比“干燥气氛” 与 “水蒸气气氛” 下的 TGA 曲线，判断水蒸气是否促进 / 抑制样品分解（如某些聚合物在潮湿高温下更易降解）。

三、 联用的核心目的

通过控制水蒸气的 “浓度、温度、与其他气体的比例”，结合 TGA 的质量监测，可针对性研究：

材料在潮湿环境中的热失效机制（如锂电池材料在高温高湿下的稳定性）；

样品中结晶水 / 结合水的脱附规律（区分 “自由水” 和 “结合水”，水蒸气气氛可抑制过度脱水）；

催化剂在水蒸气存在下的活性稳定性（如工业催化剂在反应中是否因水蒸气失活）；

天然产物（如木材、生物质）在湿热条件下的分解或碳化过程。

总结：

水蒸气发生器与热重联用的本质是：用可控水蒸气气氛模拟 “潮湿环境”，通过热重实时追踪样品在该环境下的质量变化，从而揭示水蒸气参与的物理 / 化学过程与温度的关联规律。其核心优势是将 “气氛条件” 从传统的干燥气体扩展到含水环境，更贴近实际应用场景（如大气潮湿、工业反应中的水汽）。