综合热分析讲义2-修改.ppt

第第三三章章 差热分析差热分析Differential Thermal Analysis，DTA3.1定义及术语定义及术语 简称简称 DTA，是在程序控制温度下，是在程序控制温度下，建立被测量物质与参比物之间的温度差建立被测量物质与参比物之间的温度差与温度关系的一种技术与温度关系的一种技术。差热分析差热分析（Differential Thermal Analysis）数学表达式为：数学表达式为：TTsTrf(T)或或 T u(t)式中，式中，Ts、Tr分别代表试样及参比物温度，分别代表试样及参比物温度，T是程序温度，是程序温度，t是时间。是时间。试样升温曲线与试样升温曲线与DTA曲线曲线ABABCC温度温度 T(Ts Tr)温度温度 Ts时间时间差热曲线差热曲线 由由差热分析差热分析得到的实验曲线。亦称得到的实验曲线。亦称DTA曲线。曲线。纵坐标为试样与参比物的温度差纵坐标为试样与参比物的温度差(T)，向上表示放热，向下表示吸热。横坐标为向上表示放热，向下表示吸热。横坐标为T或或t，从左向右为增长方向。，从左向右为增长方向。温度温度 C典型的典型的DTA曲线曲线+T -T吸热峰吸热峰放热峰放热峰吸热吸热放热放热ABCDE基线基线基线基线温差温差To 实际上，实际上，DTA曲线的曲线的纵坐标往往不纵坐标往往不是直接用温度差是直接用温度差T来表示，而是用电动来表示，而是用电动势电压单位势电压单位 V 或或 V 来代替。来代替。注意注意DTA-50 型差热分析仪上做的型差热分析仪上做的DTA曲线（曲线（T-V ）试样试样 被测定的物质，无论稀释与否。被测定的物质，无论稀释与否。参比物参比物 在测量温度范围内不发生任何热效在测量温度范围内不发生任何热效应的物质，应的物质，亦称基准物、中性体。如亦称基准物、中性体。如-Al2O3、MgO等。等。样品样品 试样与参比物的总称。试样与参比物的总称。试样支持器试样支持器 放试样的容器或支架。放试样的容器或支架。参比物支持器参比物支持器 放放参比物参比物的容器或支架。的容器或支架。样品支持器组合样品支持器组合 放置样品的整套组合。当热源或冷源放置样品的整套组合。当热源或冷源与支持器合为一体时，则此热源或冷源亦与支持器合为一体时，则此热源或冷源亦视为组合的一部分。视为组合的一部分。均温块均温块 样品或样品支持器同质量较大的材料样品或样品支持器同质量较大的材料紧密接触的一种样品支持器组合。紧密接触的一种样品支持器组合。温差热电偶温差热电偶 测量温度差用的热电偶系统，即测量温度差用的热电偶系统，即T热电偶热电偶。测温热电偶测温热电偶 测量温度用的热电偶系统，即测量温度用的热电偶系统，即T热电热电偶偶。基线基线 DTA曲线上相应曲线上相应T近似于零的部分。近似于零的部分。如图中的如图中的AB和和DE。对单峰对单峰DTA曲线：曲线：峰峰 DTA曲线上先离开而后又回到基线曲线上先离开而后又回到基线零的零的部分。如图中的部分。如图中的BCD。吸热峰或吸热吸热峰或吸热 DTA曲线上，试样温度低于参比物温曲线上，试样温度低于参比物温度的峰，即度的峰，即T为负值。为负值。放热峰或放热放热峰或放热 试样温度高于参比物温度的峰，即试样温度高于参比物温度的峰，即T为正值。为正值。典型的吸热典型的吸热DTA曲线曲线BABCDDEGFT或或tT+0-T=0峰宽峰宽 DTA曲线上，离开基线的点至回到基曲线上，离开基线的点至回到基线的点之间的温度或时间间隔，线的点之间的温度或时间间隔，如图中的如图中的BD。峰高峰高 垂直温度轴或时间轴的峰顶（垂直温度轴或时间轴的峰顶（C）至至内插基线的距离，内插基线的距离，如图中的如图中的CF。TeiTefTpT0 或或 V=0TeTfDTA曲线图中的几种温度曲线图中的几种温度Te 反应起反应起始点温度；始点温度；Tf 反应终点温度；反应终点温度；Te i 外推起始温度；外推起始温度；Te f 外推终止温度；外推终止温度；Tp峰温峰温峰面积峰面积 峰和内插基线间所包围的面积，峰和内插基线间所包围的面积，如图中如图中的的BCDB。外推起始点外推起始点 在峰的前沿最大斜率点的切线与外推基在峰的前沿最大斜率点的切线与外推基线的交点，线的交点，如图中的如图中的G点点。外推终点外推终点 在峰的后沿最大斜率点的切线与外推基在峰的后沿最大斜率点的切线与外推基线的交点线的交点。热容热容 对一定量的物质，单位温升所吸收的热对一定量的物质，单位温升所吸收的热量，亦称为热容量。量，亦称为热容量。3.2 差热分析仪差热分析仪用于差热分析的仪器装置称为差热分析用于差热分析的仪器装置称为差热分析仪。仪。它是使用加热炉中的试样及参比物支它是使用加热炉中的试样及参比物支持器间的持器间的温差热电偶温差热电偶，把温差信号变为电，把温差信号变为电信号（通常是电压），然后经放大记录。信号（通常是电压），然后经放大记录。仪器组成仪器组成测量系统测量系统温差热电偶温差热电偶测温热电偶测温热电偶其它均相同。其它均相同。热电偶热电偶镍铬镍铝热电偶镍铬镍铝热电偶铂铂铑热电偶铂铂铑热电偶1000；温差热电；温差热电动势高，灵敏度高。动势高，灵敏度高。可达可达1500 1700；温差热电动势低，灵温差热电动势低，灵敏度低。敏度低。基本原理基本原理差热分析仪的简图如图差热分析仪的简图如图A、图图B所示。所示。1-1-参比物参比物 2-2-试样试样3-3-均温块均温块 4-4-加热器加热器5-5-均温块热电偶均温块热电偶6-6-冰冷联结冰冷联结7-7-温度程控温度程控8-8-参比热电偶参比热电偶9-9-试样热电偶试样热电偶10-10-放大器放大器11-x-y记录仪记录仪图图A 差热分析仪简图差热分析仪简图A3程序温度控温器程序温度控温器加热炉加热炉图图B 差热分析仪简图差热分析仪简图B1测量系统测量系统24TT1-1-测量系统测量系统2-2-加热炉加热炉3-3-程序温度控温器程序温度控温器4-4-记录仪记录仪记录仪记录仪 处在加热炉和均温块内的试样和参比物在处在加热炉和均温块内的试样和参比物在相同的条件下加热或冷却。炉温的程序控制由相同的条件下加热或冷却。炉温的程序控制由控温热电偶监控。试样和参比物之间的温度差控温热电偶监控。试样和参比物之间的温度差通常用对接的两支热电偶进行测定。热电偶的通常用对接的两支热电偶进行测定。热电偶的两个接点分别与盛装试样和参比物的坩埚底部两个接点分别与盛装试样和参比物的坩埚底部接触，或者分别直接插入试样和参比物中。接触，或者分别直接插入试样和参比物中。由于热电偶的电动势与试样和参比物之间由于热电偶的电动势与试样和参比物之间的温差成的温差成 正比，温差电动势经放大后由正比，温差电动势经放大后由X-YX-Y记记录仪直接把试样和参比物之间的温差录仪直接把试样和参比物之间的温差 T 记录记录下来。下来。为了保证试样测与参比物侧尽量对称，要为了保证试样测与参比物侧尽量对称，要求试样支持器和参比物支持器，尤其两者的相求试样支持器和参比物支持器，尤其两者的相应热电偶要尽量一样（包括材质，接点大小，应热电偶要尽量一样（包括材质，接点大小，安装位置等），两个坩埚在炉中相对位置也要安装位置等），两个坩埚在炉中相对位置也要尽量一致。炉子的均温区尽可能大些，升温速尽量一致。炉子的均温区尽可能大些，升温速率要均匀，恒温控制误差要小。这样，率要均匀，恒温控制误差要小。这样，DTA曲曲线的基线才能稳定，有利于提高差热分析的灵线的基线才能稳定，有利于提高差热分析的灵敏度。敏度。岛津岛津DTA50型差热分析仪型差热分析仪差热分析仪的温度校正差热分析仪的温度校正同热重分析仪一样，差热分析在进行热同热重分析仪一样，差热分析在进行热分析时，也必须对其进行温度校正，以获的分析时，也必须对其进行温度校正，以获的准确的结果。准确的结果。用于差热分析仪温度校正的物质见表。用于差热分析仪温度校正的物质见表。可用于可用于DTA温度和热焓标定的物质温度和热焓标定的物质（续）可用于（续）可用于DTA温度和热焓标定的物质温度和热焓标定的物质3.3 差热曲线方程差热曲线方程在差热分析时，把试样（在差热分析时，把试样（s）和参比物和参比物（r）分别放置于加热的均温块（分别放置于加热的均温块（w）中，中，使它们处于相同的加热条件下。并作如下假使它们处于相同的加热条件下。并作如下假设：设：试样和参比物内部不存在温度分布，试样和试样和参比物内部不存在温度分布，试样和参比物与各自的容器温度都相等参比物与各自的容器温度都相等。一、三条假设及传热方程一、三条假设及传热方程试样试样参比物参比物电热丝电热丝热电偶热电偶均温块均温块TrTsTwDTA原理图原理图试样和参比物与均温块之间的热传导与温试样和参比物与均温块之间的热传导与温差成正比，比例系数（传热系数）差成正比，比例系数（传热系数）K K不随温度而不随温度而变化。变化。设设Tw、Ts、Tr分别为均温块温度（炉分别为均温块温度（炉温）、试样温度温）、试样温度和参比物温度；和参比物温度；Cs、Cr分别为试样和参比物热容分别为试样和参比物热容。试样的热容试样的热容Cs，参比物的热容，参比物的热容Cr，均不随温均不随温度而变化。度而变化。T=Ts Tr温度温度 T升温曲线与升温曲线与DTA曲线曲线时间时间 tTwTrTsTsTwTsTr升温后，未发生反应时，升温后，未发生反应时，为升温速率（为升温速率（K/min或或/min ）在未加热时，在未加热时，TwTsTr试样的传热方程为：试样的传热方程为：参比物的传热方程为：参比物的传热方程为：在无热效应时：在无热效应时：(3-3)将将(3-1)式式 (3-2)式并由式并由(3-3)式得：式得：即：即：Cp称之为热容差。称之为热容差。式中，式中，二、基线方程二、基线方程 设设 ，开始升温后，炉子以，开始升温后，炉子以速率升温，由于有热阻，参比物和试样会有速率升温，由于有热阻，参比物和试样会有不同程度的热滞后，经过不同的一段时间才不同程度的热滞后，经过不同的一段时间才会以相同的会以相同的速率速率升温。升温。由于试样与参比物热容不同，即：由于试样与参比物热容不同，即：Cs Cr，在热源传热相同时，试样和参比，在热源传热相同时，试样和参比物温度也不等，即：物温度也不等，即：TsTr。吸热吸热 T 放热放热cdaDTA吸热转变曲线吸热转变曲线a.反应起始点；b.峰顶；c.反应终点；d.曲线终点指数衰减(T)a(T)b(T)cbt 假设：假设：Cs Cr则则：Ts Tw-Tr传热方程分别为：传热方程分别为：Qs=K(Tw-Ts)Qr=K(Tw-Tr)导致导致 Qs Qr，即热容大的试样温度低、，即热容大的试样温度低、传热温差就大、传热量也大，造成试样升传热温差就大、传热量也大，造成试样升温比参比物慢。温比参比物慢。一段时间后，试样和参比物都以一段时间后，试样和参比物都以的的速率升温了，基线就直了。开始升温这一速率升温了，基线就直了。开始升温这一段时间的段时间的DAT曲线可以用下式描述：曲线可以用下式描述：(1)当当 t=0 时，时，(2)当当 t时，时，则则根据方程式（根据方程式（3-63-6）可得出如下结论：）可得出如下结论：基线的基线的(T)a与程序升温速率与程序升温速率成正比，成正比，升温速率升温速率越小，越小，(T)a也越小。也越小。基线的基线的(T)a与热容差与热容差Cp成正比。成正比。CsCs和和CrCr越相近，越相近，(T)a 越小。因此，试样和参比越小。因此，试样和参比物应选化学上相似的物质。物应选化学上相似的物质。程序升温速率程序升温速率恒定，才有可能获得稳定恒定，才有可能获得稳定的基线。的基线。DAT曲线的基线因为曲线的基线因为热容差热容差Cp的变化的变化会有漂移。会有漂移。在程序升温过程中，如果热容差在程序升温过程中，如果热容差Cp有有变化，变化，(T)a也会变化。实际上，也会变化。实际上，Cp是随是随温度而变化的，因为试样和参比物的热容温度而变化的，因为试样和参比物的热容Cs和和Cr是与温度相关的。是与温度相关的。基线因为传基线因为传热系数热系数K的缘故也会产生的缘故也会产生漂移。漂移。这是因为对试样和参比物的传这是因为对试样和参比物的传热系数热系数Ks 与与Kr并不相等，而且随温度的变化会有变化。并不相等，而且随温度的变化会有变化。一、一、仪器方面的影响仪器方面的影响 设计和制造仪器时，试样支持器与参设计和制造仪器时，试样支持器与参比物支持器要完全对称，它们在炉子中的比物支持器要完全对称，它们在炉子中的位置及传热情况都要仔细考虑。位置及传热情况都要仔细考虑。3.4 影响影响DTA曲线的因素曲线的因素1.支持器的位置等支持器的位置等2.坩埚材料的影响坩埚材料的影响铂坩埚催化作用铂坩埚催化作用 铂对许多有机、无机反应有催化作用。这时候不能使铂对许多有机、无机反应有催化作用。这时候不能使用铂坩埚。用铂坩埚。对于碱性物质（如碳酸氢钠等）不能使用石英、陶瓷类对于碱性物质（如碳酸氢钠等）不能使用石英、陶瓷类坩埚；含氟的高聚物与硅形成硅的化合物，也不能使用这坩埚；含氟的高聚物与硅形成硅的化合物，也不能使用这类坩埚。类坩埚。要求在实验过程中，坩埚材料对试样、产物（包括中要求在实验过程中，坩埚材料对试样、产物（包括中间产物）、气氛等都是惰性的，并且不起催化作用。间产物）、气氛等都是惰性的，并且不起催化作用。聚丙烯腈的聚丙烯腈的DTA曲线曲线放放 热热200 300 400温 度 C10 C/minT铂坩埚对聚丙烯腈降解反应的影响铂坩埚对聚丙烯腈降解反应的影响用铂坩埚用石英坩埚空气二、操作条件的影响二、操作条件的影响1.升温速率的影响升温速率的影响 升温速率增加，则升温速率增加，则 dH/dt 越大，即单位时间产生的越大，即单位时间产生的热效应大，产生的温度差当然也越大，峰就越高；由于热效应大，产生的温度差当然也越大，峰就越高；由于升温速率增大，热惯性也越大，峰顶温度也越高。升温速率增大，热惯性也越大，峰顶温度也越高。另外，曲线形状也有很大变化。升温速率大时，则另外，曲线形状也有很大变化。升温速率大时，则峰变高变宽（温度为横坐标）。峰变高变宽（温度为横坐标）。升温速率增加，灵敏度增大，同时，分辨率降低。升温速率增加，灵敏度增大，同时，分辨率降低。75 100 125 150温度温度 C吸热吸热1k/min5k/min10k/min不同升温速率下不同升温速率下CuSO4 5H2O的的DTA曲线曲线升温速率对升温速率对DTA曲线的影响曲线的影响2.气氛的影响气氛的影响 气氛的成分对气氛的成分对DTA曲线的影响很大，可以被氧化的曲线的影响很大，可以被氧化的试样在空气或氧气氛中会有很大的氧化放热峰，在氮气试样在空气或氧气氛中会有很大的氧化放热峰，在氮气或其它惰性气体中就没有氧化峰了。或其它惰性气体中就没有氧化峰了。对于不涉及气相的物理变化，如晶型转变、熔融、对于不涉及气相的物理变化，如晶型转变、熔融、结晶等变化，转变前后体积基本不变或变化不大，则压结晶等变化，转变前后体积基本不变或变化不大，则压力对转变温度的影响很小，力对转变温度的影响很小，DTA峰温基本不变；但对于峰温基本不变；但对于放出或消耗气体的化学反应或物理变化，压力对放出或消耗气体的化学反应或物理变化，压力对DTA曲曲线有明显的影响，线有明显的影响，DTA峰温有较大的变化，如热分解、峰温有较大的变化，如热分解、升华、汽化、氧比、氢还原等；另外，峰温移动程度还升华、汽化、氧比、氢还原等；另外，峰温移动程度还与过程的热效应大小成正比。与过程的热效应大小成正比。三、样品方面的影响三、样品方面的影响1.试样量的影响试样量的影响 近近20年来发展的微量技术一般用年来发展的微量技术一般用515mg左左右。最新仪器有用右。最新仪器有用16mg试样的。目前一般习惯试样的。目前一般习惯把把50mg以上算常量，以上算常量，50mg以下算微量。以下算微量。试样量越多，内部传热时间越长，形成的温度试样量越多，内部传热时间越长，形成的温度梯度越大，梯度越大，DTA峰形就会扩张，分辨率要下降，峰形就会扩张，分辨率要下降，峰顶温度会移向高温，即温度滞后会更严重。峰顶温度会移向高温，即温度滞后会更严重。2.试样粒度、形状的影响试样粒度、形状的影响 硝酸银转变的硝酸银转变的DTA曲线曲线 从左图中，我们可从左图中，我们可以看出：对试样要尽量以看出：对试样要尽量均匀，最好过筛。均匀，最好过筛。（a a）原始试样）原始试样 （b b）稍微粉碎的试样）稍微粉碎的试样 （c c）仔细研磨的试样）仔细研磨的试样(a)(b)(c)150 160 170 180T温度（温度（C C）4.参比物和稀释剂的影响参比物和稀释剂的影响 热分析用的参比物一般都用热分析用的参比物一般都用-Al2O3即在高温下锻烧过的氧化铝粉末。即在高温下锻烧过的氧化铝粉末。在所使用的温度范围内是热惰性的。在所使用的温度范围内是热惰性的。参比物与试样比热及热传导率相同或相参比物与试样比热及热传导率相同或相 近，这样近，这样DTA曲线基线漂移小。曲线基线漂移小。作参比物的条件作参比物的条件：3.试样装填的影响试样装填的影响稀释剂的作用：稀释剂的作用：改善基线改善基线 在差热分析中，有时需要加在试样中添加稀在差热分析中，有时需要加在试样中添加稀释剂，常用的稀释剂有参比物或其它惰性材料，释剂，常用的稀释剂有参比物或其它惰性材料，其作用不外乎如下几个方面：其作用不外乎如下几个方面：防止试样烧结防止试样烧结 调节试样的热导性调节试样的热导性 增加试样的透气性，以防试样喷溅增加试样的透气性，以防试样喷溅 配置不同浓度的试样配置不同浓度的试样稀释剂的影响：稀释剂的影响：一般地，加入稀释剂会降低差热分析的灵敏一般地，加入稀释剂会降低差热分析的灵敏度。度。所以，一般稀释剂尽可能不用为好。所以，一般稀释剂尽可能不用为好。依据差热分析曲线特征，如各种吸依据差热分析曲线特征，如各种吸热与放热峰的个数、形状及相应的温度热与放热峰的个数、形状及相应的温度等，可定性分析物质的物理或化学变化等，可定性分析物质的物理或化学变化过程，还可依据峰面积半定量地测定反过程，还可依据峰面积半定量地测定反应热。应热。3.5 差热曲线分析与应用差热曲线分析与应用差热分析中产生放热峰和吸热峰的大致原因差热分析中产生放热峰和吸热峰的大致原因定性分析定性分析定性表征和鉴别物质定性表征和鉴别物质依据：依据：将实测样品将实测样品DTA曲线与各种化合物的曲线与各种化合物的标准（参考）标准（参考）DTA曲线对照；或者，与其曲线对照；或者，与其它热分析曲线结合分析。它热分析曲线结合分析。方法：方法：峰温、形状和峰数目。峰温、形状和峰数目。定量分析定量分析依据：峰面积。因为峰面积反映了物质的依据：峰面积。因为峰面积反映了物质的热效应（热焓），可用来定量计算参与反热效应（热焓），可用来定量计算参与反应的物质的量或测定热化学参数。应的物质的量或测定热化学参数。借助标准物质，可以说明曲线的面积与借助标准物质，可以说明曲线的面积与 化学反应、转变、聚合、熔化等热效应的化学反应、转变、聚合、熔化等热效应的关系。关系。应用示例应用示例水合草酸钙反应过程与机理水合草酸钙反应过程与机理陶瓷原料陶瓷原料瓷土的鉴别瓷土的鉴别蜡状材料熔融温度的测定蜡状材料熔融温度的测定CaC2O4H2OCaC2O4CaCO3CaO失失H H2 2O O分解出分解出COCO燃烧燃烧分解出分解出COCO2 2CaC2O4H2O 的的TG和和DTA曲线曲线水合草酸钙反应过程与机理水合草酸钙反应过程与机理不同瓷土的不同瓷土的DTADTA曲线曲线瓷土的鉴别瓷土的鉴别瓷土瓷土瓷土瓷土瓷土的鉴别瓷土的鉴别蜡状材料熔融温度的测定蜡状材料熔融温度的测定蜡状材料蜡状材料DTA曲线曲线 第二次习题：第二次习题：1、影响DTA曲线的有哪些主要因素？如何影响的？试从DTA曲线方程加以说明。