化工產業應用｜化學材料之熱分析與熱物性量測
從有機與無機化學品、聚合物、溶液體系，到石化與能源材料，化工產業在研發與製程中大量涉及加熱與冷卻步驟。 透過熱分析與熱物性量測，可以評估材料在不同溫度、氣氛與壓力條件下的熱穩定性、相變化與反應行為， 建立安全且可控的製程視窗，並提升產品品質與批次穩定度。
化工材料為何需要熱分析與熱物性量測？
熱分析技術在化工領域已成為研發、製程優化與品質保證的重要工具。 在受控的溫度、壓力與氣氛條件下量測材料的熱行為，可以直接觀察熔融、相變化、分解與反應熱等資訊， 並進行動力學與安全性評估。
- 熱穩定性與分解行為：評估化學品在升溫或加壓條件下的分解溫度、放熱/吸熱反應與殘留物含量。
- 加工與反應視窗設計：區分熔融與分解是否重疊，確認適合的反應溫度與停留時間。
- 壓力與氣氛影響：在惰性氣體、氧氣或特殊氣氛、加壓條件下觀察反應路徑的變化。
- 配方與添加劑比較：評估穩定劑、阻燃劑、填料或溶劑對整體熱行為與安全性的影響。
- 品質控管與風險管理：建立原料與成品的熱分析指紋，支援製程監控與安全評估。
應用案例一：有機與無機化學品的熱穩定性與反應行為（DSC / TGA）
在化工研發與製程放大階段，常需針對鹽類、氧化物、表面處理粉末或添加劑等無機化學品， 以及各式有機中間體與配方組分，進行熱穩定性與分解行為評估。 差示掃描量熱（DSC）與熱重分析（TGA）可以提供關鍵的熔融、相變化與質量損失資訊。
量測與解析重點：
- 分解起始溫度與分解步驟：辨識多階段分解行為與各階段質量損失比例。
- 熔融與再結晶行為：確認是否存在熔融同時伴隨分解的情況，避免製程溫度設定過高。
- 氧化或還原反應：在不同氣氛下比較熱行為，用於評估反應路徑與安全性。
透過這類量測，可為無機鹽類、含氧酸鹽、催化前驅物等材料建立熱穩定性基準， 支援配方開發與製程安全評估。
應用案例二：矽油與溶液體系的熱導率與熱傳表現（LFA / 熱導儀）
在化工製程與溫控系統中，常使用矽油、導熱油或酒精水溶液作為熱媒或溶劑。 其熱導率與熱擴散率會直接影響反應器、換熱器與流程系統的溫度均勻性與效率。 透過雷射閃射法（LFA）或瞬態熱橋等技術，可針對液體與溶液體系進行熱物性量測。
適用範例：
- 矽油與導熱媒介：不同黏度與配方對熱導率的影響。
- 乙醇-水溶液等混合溶劑：濃度與溫度對熱傳特性的關係。
- 化工製程中使用之特殊液體或懸浮液：用於熱交換與溫控設計的基礎資料建立。
這些數據可用於選擇合適的熱媒、評估節能潛力，並優化反應器與管線設計。
應用案例三：能源與石化材料之相變化與熱物性量測（DSC / LFA / DIL）
在能源與石化領域，例如硝酸鹽儲能材料、石墨構件或原油與燃料樣品， 常需掌握其熔融、結晶、膨脹與流動行為，以確保儲存、運輸與操作安全。 熱分析與熱物性量測可提供關鍵設計參數。
量測與應用重點：
- 硝酸鹽等相變化儲能材料：以 DSC 量測熔融與凝固熱，評估儲能效率與循環穩定性。
- 石墨與高溫結構材料：透過熱膨脹量測（DIL）掌握不同方向的線膨脹係數。
- 原油與燃料：利用 DSC 觀察蠟外觀溫度與析蠟行為，作為低溫流動性與管線風險評估依據。
這些結果可整合進流程模擬與工程設計中，協助降低能源損失與操作風險。
化工材料常用熱分析與熱物性量測技術一覽
- 差示掃描量熱（DSC）：量測玻璃轉移溫度、熔融與結晶行為、反應熱與蠟外觀溫度。
- 熱重分析（TGA）：評估分解溫度、質量損失步驟、揮發份與殘留物比例。
- 同步熱分析（STA：TGA + DSC）：同時取得熱流與質量變化，解析複雜反應系統。
- 熱導率與熱擴散率量測（LFA、瞬態熱橋等）：針對固體、液體與熔融體系的熱傳特性研究。
- 熱膨脹量測（DIL）：取得線膨脹係數與相變化引起的體積變化，用於材料匹配與結構設計。
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郭文龍｜FST International｜Email: Allen.kuo@fstintl.com.tw