热重分析及差热分析ppt课件.ppt

热分析方法 一 热分析法概述二 差热分析法 DTA 三 热重法 TG 热分析法概述 热分析方法是利用热学原理对物质的物理性能或成分进行分析的总称 根据国际热对热分析法的定义 热分析是在程序控制温度下 测量物质的物理性质与温度关系的一门技术 所谓 程序控制温度 是指用固定的速率加热或冷却 所谓 物理性质 则包括物质的质量 温度 热焓 尺寸 机械 电学 声学及磁学性质等 物质在温度变化过程中 常常伴随宏观物理 化学等性质的变化 宏观上的这些性质变化通常又与物质的组成和微观结构相关联 通过测量和分析物质在加热或冷却过程中的物理 化学性质的变化 可以对物质进行定性 定量分析 从而实现对物质的结构鉴定 为新材料的研究和开发提供热性能数据和精细结构信息 热分析需满足三个条件 1 测量的参数必须是一种 物理性质 包括质量 温度 热焓变化 尺寸 机械特性 声学特性 电学及磁学特性等 2 测量参数必须直接或者间接表示成温度的函数关系 3 测量必须在程序控制的温度下进行 热分析法种类 热分析应用类型 1 成份分析 无机物 有机物 药物和高聚物的鉴别和分析以及它们的相图研究 2 稳定性测定 物质的热稳定性 抗氧化性能的测定等 3 化学反应的研究 比如固 气反应研究 催化性能测定 反应动力学研究 反应热测定 相变和结晶过程研究 4 材料质量测定 如纯度测定 物质的玻璃化转变和居里点 材料的使用寿命测定 5 材料的力学性质测定 抗冲击性能 粘弹性 弹性模量 损耗指数和剪切模量等的测定 6 环境监测 研究蒸汽压 沸点 易燃性等 差热分析法 DTA DifferentialThermalAnalysis 定义 在程序控制温度下 测量物质和参比物之间的温度差与温度关系的一种技术 当试样发生任何物理 如相转变 熔化 结晶 升华等 或化学变化时 所释放或吸收的热量使试样温度高于或低于参比物的温度 从而相应地在DTA曲线上得到放热或吸收峰 差热分析曲线 根据国际分析协会ICTA的规定 差热分析DTA是将试样和参比物置于同一环境中以一定速率加热或冷却 将两者间的温度差对时间或温度作记录的方法 从DTA获得的曲线试验数据是这样表示的 纵坐标是试样与参比物的温度差 T 向上表示放热反应 向下表示吸热反应 横坐标为T 或t 从左到右增加 试样S与参比物R分别装在两个坩埚内 在坩埚下面各有一个片状热电偶 这两个热电偶相互反接 对S和R同时进行程序升温 当加热到某一温度试样发生放热或吸热时 试样的温度TS会高于或低于参比物温度TR产生温度差 T 该温度差就由上述两个反接的热电偶以差热电势形式输给差热放大器 经放大后输入记录仪 得到差热曲线 即DTA曲线 热重分析法 分析原理仪器装置影响因素应用 基本原理 热重分析法 TG 在程序控制温度下 测量物质的质量与温度变化关系的一种技术 TG曲线记录的是质量 温度 质量保留百分率 温度或失重百分率 温度的关系 m f T或t 许多物质在加热或冷却过程中除了产生热效应外 往往有质量变化 其变化的大小及出现的温度与物质的化学组成和结构密切有关 因此利用在加热和冷却过程中物质质量变化的特点 可以区别和鉴定不同的物质 热重分析法包括静态法和动态法两种类型静态法又分等压质量变化测定和等温质量变化测定两种 等压质量变化测定又称自发气氛热重分析 是在程序控制温度下 测量物质在恒定挥发物分压下平衡质量与温度关系的一种方法 该方法利用试样分解的挥发产物所形成的气体作为气氛 并控制在恒定的大气压下测量质量随温度的变化 其特点就是可减少热分解过程中氧化过程的干扰 等温质量变化测定是指在恒温条件下测量物质质量与温度关系的一种方法 该法每隔一定温度间隔将物质恒温至恒重 记录恒温恒重关系曲线 动态法又称非等温热重法 分热重分析和微商热重分析 热重和微商热重分析都是在程序升温的情况下 测定物质质量变化与温度的关系 微商热重分析又称导数热重分析 derivativethermogravimetry DTG 它是记录热重曲线对温度或时间的一阶导数的一种技术 由于动态非等温热重分析和微商热重分析简便实用 又利于与DTA DSC等技术联用 因此广泛应用在热分析技术中 适合热重分析的反应 m 定量分析 组成不同 质量变化不同 获取信息 热稳定性 抗热氧化性 吸附水 结晶水 脱水速率 干燥条件 热分解等相关信息 Ag2CrO4 O2 Ag AgCrO2 吸附水挥发 质量恒定 失重 微商热重法 DTG 记录质量变化速率与温度的关系 即将质量对温度求导 dm dt f T或t 不同点 TG与DTG 信号处理方式不同 曲线 台阶与峰形 原理 共性 DTG 分辨率提高 信息多 DTG曲线的优点 能准确反映出起始反应温度Ti 达到最大反应速率的温度Te和反应终止温度Tf 更能清楚地区分相继发生的热重变化反应 DTG比TG分辨率更高 DTG曲线峰的面积精确对应着变化了的样品重量 较TG能更精确地进行定量分析 能方便地为反应动力学计算提供反应速率 dw dt 数据 DTG与DTA具有可比性 通过比较 能判断出是重量变化引起的峰还是热量变化引起的峰 TG对此无能为力 TG与DTG的测量都要依靠热天平 热天平是实现热重测量技术而制作的仪器 它是在普通分析天平基础上发展起来的 具有一些特殊要求的精密仪器 1 程序控温系统及加热炉 炉子的热辐射和磁场对热重测量的影响尽可能小 2 高精度的重量与温度测量及记录系统 3 能满足在各种气氛和真空中进行测量的要求 4 能与其它热分析方法联用 热天平由精密天平和线性程序控温加热炉组成 热重分析仪 TG 原理图 热天平 试样 三路气体的质量流量计 热天平测量原理 当天平左边称盘中试样因受热产生重量变化时 天平横梁连同光栏则向上或向下摆动 此时接收元件 光敏三极管 接收到的光源照射强度发生变化 使其输出的电信号发生变化 这种变化的电信号送给测重单元 经放大后再送给磁铁外线圈 使磁铁产生与重量变化相反的作用力 天平达到平衡状态 因此 只要测量通过线圈电流的大小变化 就能知道试样重量的变化 含有一个结晶水的草酸钙的TG曲线和DTG曲线 CaC2O4 H2O CaC2O4 H2O 100 200 失重量12 5 CaC2O4 CaCO3 CO 400 500 失重量18 5 CaCO3 CaO CO2 600 800 失重量30 5 影响因素 1 升温速率升温速率快 TG曲线出现弯曲 升温速率慢 曲线易出现平台 以较慢的升温速率为宜 过快的升温速率有时会导致丢失某些中间产物的信息 2 试样容器形状及材质对涉及气体的物质有明显影响 惰性材质 铂和陶瓷 提供 动态 流动 或静态气氛 惰性或真空环境 3 炉内气氛 4 试样量 吸热 放热 反应 试样量越大 试样温度偏离线性程序升温的程度越大 气体产生的试样 试样量越大 中间产生的气体扩散出去的阻力越大 试样量越大 试样内易产生温度梯度 不利于热平衡 样品量要少 粒度也以越细越好 而且要尽可能将样品铺平 5 热天平的灵敏度 6 温度测量准确性 灵敏度 试样用量 分辨率 可使用较快的升温速率 应用 TG应用于高分子材料组成的分析 热稳定性测定 氧化或分解反应及其动力学研究 失去低分子物的缩聚反应研究 材料老化研究等 热稳定性的评价 1 比较起始 或5 失重的温度 2 比较失重速率 热稳定性比较示意图 测定吸附水 结晶水 脱水量等 物质的成分分析 1 添加剂和杂质的分析 玻璃钢的TG曲