热分析技术.pptx

热分析的主要方法热分析的主要方法01热重法thermogravimetry,TG差热分析02differential thermal analysis,DTA03差示扫描热量法differential scanning calorimetry,DSC 热分析 thermal analysis STA 449C热分析仪热分析仪本章主要内容本章主要内容1.差热分析及其应用差热分析及其应用2.示差扫描量热分析及其应用示差扫描量热分析及其应用3.热重分析及其应用热重分析及其应用1.差热分析的原理差热分析的原理2.差热分析曲线差热分析曲线3.差热分析仪差热分析仪4.DTA测量时应注意的要点及其影响因素测量时应注意的要点及其影响因素第一节第一节 差热分析（差热分析（DTA）及其应用）及其应用1、差热分析的原理、差热分析的原理1.差热分析差热分析：在：在程序控温条件程序控温条件下，测量下，测量试样与参比物试样与参比物之之间的温度差（间的温度差（T）与环境温度）与环境温度(T)的函数关系的函数关系2.当试样发生任何物理或化学变化时，所释放或吸收的当试样发生任何物理或化学变化时，所释放或吸收的热量使试样温度热量使试样温度高于高于或或低于低于参比物的温度，从而相应参比物的温度，从而相应地在差热曲线上可得到地在差热曲线上可得到放热放热或或吸热吸热峰。峰。差热分析仪结构示意图差热分析仪结构示意图1-参比物；参比物；2-样品；样品；3-加热块；加热块；4-加热器；加热器；5-加热块热电偶；加热块热电偶；6-冰冷联结；冰冷联结；7-温度程控；温度程控；8-参比热电偶；参比热电偶；9-样品热电偶；样品热电偶；10-放大器；放大器；11-x-y记录仪记录仪2、差热分析曲线、差热分析曲线1.曲线的横坐标为温度曲线的横坐标为温度（T），纵坐标为试样与，纵坐标为试样与参比物的温度差参比物的温度差(T)，向上表示放热，向下表，向上表示放热，向下表示吸热。示吸热。2.差热分析也可测定试样的差热分析也可测定试样的热容变化热容变化，它在差热，它在差热曲线上反映在基线的偏离上。曲线上反映在基线的偏离上。实际的放热峰差热曲线实际的放热峰差热曲线A：反应起始点，温度为：反应起始点，温度为Ti；B：峰顶，温度为：峰顶，温度为Tm，反应在反应在BC段某一点结束段某一点结束C：温度为：温度为Tf，无实际意，无实际意义义BD：为峰高，试样与参：为峰高，试样与参比物之间最大温差。比物之间最大温差。在在AB段，取斜率最大一点向基线方向作切线与基线延段，取斜率最大一点向基线方向作切线与基线延长线交于长线交于E点，称为点，称为外延起始点外延起始点E点的温度称为点的温度称为外延起始点温度外延起始点温度，以，以Teo表示。表示。ABC所包围的面积称为所包围的面积称为峰面积峰面积n峰的尖锐程度：峰的尖锐程度：反映了反映了体系自由度体系自由度。自由度为零的。自由度为零的反应其差热峰尖锐反应其差热峰尖锐nTi：仪器灵敏度仪器灵敏度越高，越高，Ti越低且接近于实际值越低且接近于实际值nTm：无确切的物理意义。体系自由度为零及试样热：无确切的物理意义。体系自由度为零及试样热导率不大的情况下，导率不大的情况下，Tm非常接近反应终止温度。自非常接近反应终止温度。自由度大于零，热导率很大时，终止点接近于由度大于零，热导率很大时，终止点接近于C点。点。nTf：表明经过一次反应后，温度到达：表明经过一次反应后，温度到达Tf时曲线回到时曲线回到基线基线nTeo：受实验影响较小，重复性好，推荐用来表示反：受实验影响较小，重复性好，推荐用来表示反应起始温度。应起始温度。差热分析曲线说明差热分析曲线说明1.峰的数目：峰的数目：表示物质发生物理、化学变化的表示物质发生物理、化学变化的次数次数2.峰的方向：峰的方向：表明体系发生热效应的正负性表明体系发生热效应的正负性3.峰面积：峰面积：说明热效应的大小说明热效应的大小4.两种或多种不相互反应的物质的混合物，其两种或多种不相互反应的物质的混合物，其差热曲线为差热曲线为各自差热曲线的叠加各自差热曲线的叠加。基线的漂移基线的漂移l差热分析过程中，如果升温时试样没有热效应，则差热分析过程中，如果升温时试样没有热效应，则温差电势为常数，差热曲线为一直线，称为温差电势为常数，差热曲线为一直线，称为基线基线。l由于两个热电偶的不对称性，试样、参比物及坩埚由于两个热电偶的不对称性，试样、参比物及坩埚的热容、导热系数不同，在等速升温的情况下造成的热容、导热系数不同，在等速升温的情况下造成基线的漂移基线的漂移DTA曲线曲线玻璃化转变玻璃化转变结晶结晶基线基线放热行为放热行为（固化，氧化，反应，交联）（固化，氧化，反应，交联）熔融熔融固固固固一级转变一级转变吸热行为吸热行为分解气化分解气化DSC曲线曲线吸热吸热放热放热T()dH/dt(ail/s)Tg Tc Tm Td高聚物的高聚物的DTA和和DSC曲线示意图曲线示意图基线偏移基线偏移3、差热分析仪、差热分析仪a.热电偶热电偶b.测量池测量池c.程序温控装置程序温控装置d.微伏放大器微伏放大器e.记录仪记录仪f.气氛控制系统气氛控制系统热电偶是差热分析的关键元件热电偶是差热分析的关键元件 l铜铜-康铜（长期康铜（长期350/短期短期500 ）、）、l铁铁-康铜（康铜（600/800 ）镍铬镍铬-镍铝（镍铝（1000/1300）、）、d.铂铂-铂铑铂铑(1300/1600 )、铱铱-铱铑（铱铑（1800/2000）a.热电偶热电偶b.测量池测量池样品参比物电热丝热电偶金属a.经典测量池经典测量池b.改进测量池改进测量池易受试样、参比物的易受试样、参比物的密度、导热系数、比热容、热扩散密度、导热系数、比热容、热扩散的影响的影响c.程序温控装置：程序温控装置：使炉温按给定的程序方式使炉温按给定的程序方式(升温、降温、恒温、循环升温、降温、恒温、循环)以一定速度变以一定速度变化化 升温速度：升温速度：1100K/min，常用：，常用：120K/mind.微伏放大器：微伏放大器：灵敏、稳定；灵敏、稳定；10uV 用以放大温差电势差热信号须经放大后再用以放大温差电势差热信号须经放大后再送入记录仪中记录送入记录仪中记录记录仪：记录仪：多笔多笔记录仪记录仪气氛控制系统气氛控制系统：Ar；N24、DTA测量时应注意的要点及其影响因素测量时应注意的要点及其影响因素a.a.程序控温的线性和速度：程序控温的线性和速度：基线空白实验基线空白实验b.b.水分的干扰：预先干燥处理水分的干扰：预先干燥处理c.c.双峰交叠：设法分峰双峰交叠：设法分峰d.d.反应中的挥发物发生二次反应引进反应热反应中的挥发物发生二次反应引进反应热e.e.预结晶物质程序升温和降温所得曲线不可逆预结晶物质程序升温和降温所得曲线不可逆f.f.用标准物质校正温度：金属盐类、纯金属等用标准物质校正温度：金属盐类、纯金属等其他影响因素其他影响因素a.a.气氛的影响气氛的影响 不同性质的气氛如氧化性、还不同性质的气氛如氧化性、还原性和惰性气氛对差热曲线的影响很大，例原性和惰性气氛对差热曲线的影响很大，例如在空气和氢气的气氛下对镍催化剂进行差如在空气和氢气的气氛下对镍催化剂进行差热分析，在空气中镍催化剂被氧化而产生放热分析，在空气中镍催化剂被氧化而产生放热峰，而在氢气氛下基本上是稳定的。热峰，而在氢气氛下基本上是稳定的。升温速率影响峰温的位置和峰面积的大小升温速率影响峰温的位置和峰面积的大小快的升温速率快的升温速率：峰面积变大，峰尖锐峰面积变大，峰尖锐。体系。体系偏离平衡条件的程度大，偏离平衡条件的程度大，易使基线漂移易使基线漂移,并并导致导致相邻两个峰重叠相邻两个峰重叠，分辨力下降。，分辨力下降。慢的升温速率慢的升温速率：基线漂移小，体系接近平衡：基线漂移小，体系接近平衡条件，得到宽而浅的峰；相邻两峰更好地分条件，得到宽而浅的峰；相邻两峰更好地分离，分辨力高。离，分辨力高。b.b.升温速率的影响升温速率的影响升温速率越大，升温速率越大，峰形越尖，峰高峰形越尖，峰高也增加，峰顶温也增加，峰顶温度也越高度也越高 升温速率对高岭土差热曲线的影响升温速率对高岭土差热曲线的影响并四苯的差热曲线并四苯的差热曲线a.升温速率小（升温速率小（10/min），曲线上有两个明显的吸热峰，曲线上有两个明显的吸热峰b.升温速率大（升温速率大（80/min），只有一个吸热峰，显然过快使），只有一个吸热峰，显然过快使两峰完全重叠。两峰完全重叠。c.c.试样用量和颗粒度试样用量和颗粒度试样用量：试样用量：用量大用量大易使相邻两峰重叠易使相邻两峰重叠，降低了，降低了分辨力。一般尽可能减少用量，最多大至毫克。分辨力。一般尽可能减少用量，最多大至毫克。样品的颗粒度：样品的颗粒度：在在100100目目200200目左右，颗粒小目左右，颗粒小可以改善导热条件，但太细可能会破坏样品的可以改善导热条件，但太细可能会破坏样品的结晶度。参比物的颗粒、装填情况及紧密程度结晶度。参比物的颗粒、装填情况及紧密程度应与试样一致，以减少基线的漂移。应与试样一致，以减少基线的漂移。a、5mg；b、50mg；c、5g 不同用量的不同用量的NH4NO3的的DTA曲线曲线a、1418目目：粒度：粒度最大，三个峰重叠最大，三个峰重叠b、5272目目：粒度：粒度适中，三个峰可以适中，三个峰可以明显区分明显区分c、72100目目：试样：试样粒度过小，只出现粒度过小，只出现两个峰两个峰不同粒度的不同粒度的CuSO45H2O的的DTA曲线曲线d.参比物的选择参比物的选择 常用常用-Al2O3或或MgO粉末或熔融的石英粉作参粉末或熔融的石英粉作参比物。如果试样与参比物的热性质相差很远，比物。如果试样与参比物的热性质相差很远，则可用稀释试样的方法解决；常用的稀释剂则可用稀释试样的方法解决；常用的稀释剂有有SiC、铁粉、铁粉、Fe2O3、玻璃珠、玻璃珠Al2O3等。等。e.坩埚材料的影响坩埚材料的影响 对于对于碱性物质碱性物质，不能使用陶瓷类坩锅。，不能使用陶瓷类坩锅。高温下，往往选用高温下，往往选用铂坩埚铂坩埚，但它不适用，但它不适用于含磷、硫和卤素的试样。此外，铂对于含磷、硫和卤素的试样。此外，铂对许多有机、无机反应有催化作用。许多有机、无机反应有催化作用。应用应用1CaC2O4H2OCaC2O4CaCO3CaO失H2O分解出CO、燃烧分解出CO2CaC2O4H2O的的TG和和DTA曲线曲线玻玻璃璃化化温温度度析析晶晶温温度度还原气氛还原气氛正常气氛正常气氛应用应用2 碲酸盐玻璃差热分析谱碲酸盐玻璃差热分析谱第二节第二节 差示扫描量热分析（差示扫描量热分析（DSC）及其应）及其应用用1示差扫描量热法的基本原理示差扫描量热法的基本原理2典型的典型的DSC曲线曲线3DSC与与DTA的区别的区别4DSC法的应用法的应用一、示差扫描量热法的基本原理一、示差扫描量热法的基本原理工作原理工作原理：通过对试样因热效应而发生的通过对试样因热效应而发生的能量变化能量变化进行及时进行及时补偿补偿，保持试样与参比物之间温度始终保持相同，保持试样与参比物之间温度始终保持相同 DSC有有功率补偿式功率补偿式示差扫描量热法和示差扫描量热法和热流式热流式示差扫描量热法两种类型示差扫描量热法两种类型功率补偿型示差扫描量热法原理功率补偿型示差扫描量热法原理 二、典型的二、典型的DSC曲线曲线以热流率（以热流率（dH/dt）为纵坐标、）为纵坐标、以时间（以时间（t）或温度（）或温度（T）为横）为横坐标，即坐标，即dH/dt-t（或（或T）曲线。曲线。峰或谷包围的面积峰或谷包围的面积：代表热量：代表热量的变化的变化差示扫描量热法可以差示扫描量热法可以直接直接测量样品在发生物理或化学变化时的测量样品在发生物理或化学变化时的热效应热效应。三、三、DSC与与DTA的区别的区别示差量热计代替加热炉样品和参比物各自独力加热分析曲线与DTA相同，但更准确产生温差用功率补偿，保持同温DSC的温度、能量和量程校正的温度、能量和量程校正利用标准物质的熔融转变温度进行利用标准物质的熔融转变温度进行温度校正温度校正 利用高纯金属铟利用高纯金属铟(In）标准熔融热容进行）标准熔融热容进行能能量校正量校正利用铟进行利用铟进行量程校正量程校正DSC温度校正温度校正物质物质铟铟(In)锡锡(Sn)铅铅(Pb)锌锌(Zn)K2SO4K2CrO4转变温转变温度度（）156.60231.88327.47419.47585.00.5670.50.5转变能转变能量量（J/g）28.4660.4723.01108.3933.2733.68DSCDTACuSO45H2O的的DSC和和DTA曲线曲线四、四、DSC法的应用法的应用纯度测定纯度测定：利用：利用Vant Hoff方程方程进行纯度测定进行纯度测定TS：样品瞬时的温度（：样品瞬时的温度（K）；）；T0：纯样品的熔点（：纯样品的熔点（K）；）；R：气体常数；：气体常数；Hf：为样品熔融热；：为样品熔融热；x：杂质摩尔数；：杂质摩尔数；F：总样品在：总样品在TS熔化的分数熔化的分数 1/F是曲线到达是曲线到达TS的部分面积除以的部分面积除以总面积的倒数总面积的倒数 熔化的峰温、峰高均随杂质增多而降低据此可进行纯度测定醋氨酚醋氨酚(杂质为杂质为4氨基酚氨基酚)的的DSC曲线曲线比热测定比热测定式中，式中，dH/dt为热流速率（为热流速率（Js-1）；）；m为样品质量（为样品质量（g）；）；CP为比热（为比热（Jg-1K-1）；）；dT/dt为程序升温速率（为程序升温速率（Ks-1）利用利用蓝宝石蓝宝石作为标准样品测定。通过对比样品和蓝宝石作为标准样品测定。通过对比样品和蓝宝石的热流速率求得样品的比热。的热流速率求得样品的比热。第三节第三节 热重分析热重分析1热重分析的基本原理热重分析的基本原理2热重曲线分析热重曲线分析3热重分析仪热重分析仪4影响影响TG数据的因素数据的因素一、热重分析的基本原理一、热重分析的基本原理热重分析：在程序控温下，测量物质的热重分析：在程序控温下，测量物质的质量与温度或时间的关系质量与温度或时间的关系的方法，通常的方法，通常是测量试样的质量变化与温度的关系。是测量试样的质量变化与温度的关系。控温方法：控温方法：升温法、恒温法升温法、恒温法升温法：动态法升温法：动态法在程序升温下，测定物质质量变化与温度的在程序升温下，测定物质质量变化与温度的关系。关系。恒温法：静态法恒温法：静态法在恒温条件下，试样质量变化随时间变化的在恒温条件下，试样质量变化随时间变化的函数关系函数关系二、热重分析曲线二、热重分析曲线TG曲线：热重曲线。曲线的纵坐标为质量曲线：热重曲线。曲线的纵坐标为质量（m）或重量或重量（W），横坐标为温度，横坐标为温度(或时间或时间)（T/t）DTG曲线：微商热重曲线。曲线的纵坐标为重曲线：微商热重曲线。曲线的纵坐标为重量随时间的变化率量随时间的变化率(dW/dt)，横坐标为温度或，横坐标为温度或时间时间（T/t）典型典型的的TG曲线曲线（一步反应）（一步反应）TG曲线曲线热重曲线中，水平部分表示热重曲线中，水平部分表示重量恒定重量恒定，曲线斜率发生，曲线斜率发生变化的部分表示变化的部分表示重量的变化重量的变化根据热重曲线上各步失重量可以简便地计算出各步的根据热重曲线上各步失重量可以简便地计算出各步的失重分数，从而判断试样的热分解机理和各步的分解失重分数，从而判断试样的热分解机理和各步的分解产物。产物。还可看出热稳定性温度区，反应区，反应所产生的中还可看出热稳定性温度区，反应区，反应所产生的中间体和最终产物。间体和最终产物。典型的典型的DTG 曲线曲线（两步反应）（两步反应）DTG曲线曲线DTG曲线的峰顶曲线的峰顶d2W/dt2=0，即失重速率的最，即失重速率的最大值，它与大值，它与TG曲线的拐点曲线的拐点相对应。相对应。DTG曲线上的曲线上的峰的数目峰的数目和和TG曲线的台阶数相曲线的台阶数相等等DTG曲线上的曲线上的峰面积峰面积与失重量成正比。与失重量成正比。举例：举例：PET 的热分解的热分解三、热重分析仪三、热重分析仪1.热重分析仪有热重分析仪有天平式或弹簧秤式、电磁式微天平式或弹簧秤式、电磁式微量热天平量热天平两种。两种。天平式：灵敏扭力天平天平式：灵敏扭力天平弹簧秤式：石英丝弹簧弹簧秤式：石英丝弹簧电磁式微量热天平：电磁秤电磁式微量热天平：电磁秤a.浮力及对流的影响浮力及对流的影响b.挥发物的再凝聚挥发物的再凝聚c.试样与称量器的反应试样与称量器的反应d.升温速度的影响升温速度的影响e.试样的用量及力度试样的用量及力度f.环境气氛环境气氛 四、影响四、影响TG曲线的因素曲线的因素a.浮力及对流的影响浮力及对流的影响a.引起热重曲线的引起热重曲线的基线漂移基线漂移 浮力：浮力：573K时浮力约为常温的时浮力约为常温的1/2，1173K时为时为1/4左右。左右。对流：影响称量的精确度。对流：影响称量的精确度。a.解决方案解决方案：空白曲线：空白曲线、热屏板、热屏板、冷却水等。、冷却水等。气流流速对表观重量的影响气流流速对表观重量的影响b.挥发物的再凝聚挥发物的再凝聚：加热屏板解决：加热屏板解决 c.试样与称量器的反应试样与称量器的反应d.升温速率升温速率 升温速率越大，热滞后越严重，导致起升温速率越大，热滞后越严重，导致起始温度和终止温度偏高始温度和终止温度偏高不同的升温速率对聚苯乙烯的不同的升温速率对聚苯乙烯的TG曲线的影响曲线的影响用量用量大：吸、放热引起的温度偏差大，且大：吸、放热引起的温度偏差大，且不利于热扩散和热传递。不利于热扩散和热传递。粒度粒度细：反应速率快，反应起始和终止温细：反应速率快，反应起始和终止温度降低，反应区间变窄。度降低，反应区间变窄。粒度粗粒度粗则反应较则反应较慢，反应滞后。慢，反应滞后。e.试样的用量和粒度试样的用量和粒度不同用量的聚苯乙烯的不同用量的聚苯乙烯的TG曲线曲线f.环境气氛的影响环境气氛的影响：与反应类型、分解产物的性：与反应类型、分解产物的性质和所通气体的种类有关。质和所通气体的种类有关。聚酰亚胺在不同气氛中的聚酰亚胺在不同气氛中的TG曲线曲线 热分析法在材料研究中的应用热分析法在材料研究中的应用材料的热分解材料的热分解 CuSO45H2O CuSO4+5H2O 结晶硫酸铜结晶硫酸铜(CuSO45H2O)的脱水的脱水CuSO45H2O的的TG曲线曲线图中图中TG曲线在曲线在A点和点和B点之间，没有发生重量变化，即试样点之间，没有发生重量变化，即试样是稳定的。在是稳定的。在B点开始脱水，曲线呈现出失重，失重的终点点开始脱水，曲线呈现出失重，失重的终点为为C点。这一步的脱水反应为：点。这一步的脱水反应为：CuSO45H2OCuSO43H2O+2H2O45 78 100 118 212 248温度温度()重量重量(mg)W0-W1 W1-W2 W2-W3 W3W0 W1W2 W3A BC DE FG HC点和点和D点之间试样再一次处于稳定状态。然后在点之间试样再一次处于稳定状态。然后在D点点进一步脱水，在进一步脱水，在D点和点和E点之间脱掉两个水分子。这一点之间脱掉两个水分子。这一步的脱水反应为：步的脱水反应为：CuSO43H2OCuSO4H2O+2H2O 45 78 100 118 212 248温度温度()重量重量(mg)W0-W1 W1-W2 W2-W3 W3W0 W1W2 W3A BC DE FG H在在E点和点和F点之间生成了稳定的化合物，从点之间生成了稳定的化合物，从F点到点到G点脱掉点脱掉最后一个水分子。最后一个水分子。G点到点到H点的平台表示形成稳定的无水点的平台表示形成稳定的无水化合物。这一步的脱水反应为：化合物。这一步的脱水反应为：CuSO4H2OCuSO4+H2O45 78 100 118 212 248温度温度()重量重量(mg)W0-W1 W1-W2 W2-W3 W3W0 W1W2 W3A BC DE FG HW0-W1 W1-W2 W2-W3 W3根据热重曲线上各平台之间的重量变化，可计算出根据热重曲线上各平台之间的重量变化，可计算出试样各步的失重量试样各步的失重量:平台平台AB表示样品稳定，设样品原始重量表示样品稳定，设样品原始重量Wo=10.8 mg；BC为第一次失重，为第一次失重，Wo-W1=1.55mg，失重率，失重率=(Wo-W1)/Wo=14.35%；DE为第二次失重，失重量为为第二次失重，失重量为1.6 mg,失重率为失重率为14.8%FG为第三次失重，失重量为为第三次失重，失重量为0.8 mg,失重率为失重率为7.4%总失重率总失重率=(Wo-W3)/Wo=36.6%理论失重量为理论失重量为36%结论：结晶硫酸铜分三次脱水结论：结晶硫酸铜分三次脱水CuSO45H2O CuSO43H2O+2H2O 理论失重量为理论失重量为14.4%CuSO43H2O CuSO4H2O+2H2O 理论失重量为理论失重量为14.4%CuSO4H2O CuSO4+H2O 理论失重量为理论失重量为7.2%45 78 100 118 212 248温度温度()重量重量(mg)W0-W1 W1-W2 W2-W3 W3W0 W1W2 W3A BC DE FG H45 78 100 118 212 248温度温度()重量重量(mg)W0-W1 W1-W2 W2-W3 W3W0 W1W2 W3A BC DE FG H