材料现代研究方法-热重-差热综合热分析实验指导书

1、差热-热重综合热分析实验一.实验目的:1.了解热重-差热分析仪的原理、仪器装置及使用方法。2.掌握热重-差热分析基本原理、测试技术及影响测量准确性的因素。3.掌握热重-差热曲线定性和定量处理方法,对实验结果做出解释。二.实验原理1.热重分析法热重分析法(TG是在程序温度控制下,测量物质的质量随温度变化的一种实验技术。一般有静态法和动态法两种类型:静态法是在恒温下测定物质质量变化与温度的关系,将试样在各给定温度加热至恒重,该法用来研究固相物质热分解的反应速率和测定反应速度常数。动态法是在程序升温下测定物质质量变化与温度的关系,采用连续升温连续称重的方式。本实验采用的是动态热重分析法,其主要由精密

2、天平、加热炉、和控制单元组成。加热炉由温控加热单元给定速度升温,温度由测温热电偶输出热电势,放大后送入计算机进行处理。炉中试样质量变化由天平测量记录,天平变化由光电传感器转化为电信号,放大后送入计算机进行处理。计算机根据测得数据自动进行绘图处理。由热重分析记录的质量变化对温度的关系曲线称为热重曲线(TG 曲线。曲线横坐标为温度,纵坐标为质量,如热分解反应A(sB(s+C(g的热重曲线如图1所示。图中T 1为起始温度,即累积质量变化达到热天平可检测的温度;T 2为终止温度,即累积质量变化达到最大值时的温度;热重曲线上质量基本不变的部分称为基线或平台。若试样初始质量为W0,失重后试样质量为W1,测

3、失重百分数为。%100010×W W W 物质在加热过程中会在某温度下发生分解、脱水、氧化、还原和升华等一系列的物理化学变化而出现质量变化,发生质量变化的温度及质量变化百分数随物质的结构和组成而异,因此可以利用物质的热重曲线来研究物质的热变化过程,推测反应机理及产物。2.差热分析法在物质匀速加热或冷却的过程中,当达到某温度时,物质就会发生物理化学变化。在变化的过程中,伴随有吸热放热现象,这样就改变了物质原有的升温或降温速率。差热分析是测定样品与参比物(一般为热稳定高的-Al 2O 3之间的温度差与时间的关系。将被测物和参比物分别放入两个小坩埚,一某一恒定的速率加热时,试样和参比物温度

4、线性升高。当试样没有焓变时,试样和参比物的温差T=0;当试样发生吸热时,试样温度比参比物低,温差T<0,反之,试样放热则T>0。采用两个同极串联差热热电偶检测T 的变化,放大后输入计算机进行处理,绘制DTA 曲线。当T=0,两电偶电势相同、方向相反,DTA 曲线为水平线;当T0,DTA 曲线为峰形曲线,向下为吸热,向上为放热。不同物质热性质不同,其DTA 曲线的峰的位置、峰的形状、面积及个数都不同,因此可以根据物质的DTA 曲线对物质进行定性和定量分析。峰的位置由导致热效应的温度和热效应的种类(吸热/放热决定,前者体现在峰的起始温度上,后者体现在峰的方向上。图2为实际的DTA 曲线

5、,其中T=0的水平线为基线,实际曲线中基线存在偏移,偏移量为a;离开基线又回到基线的部分为峰;偏离基线的起点和回到基线的终点间的距离称为峰宽,见图中DE 间距c;从峰顶点到基线的垂直距离称为峰高,图中b,它表示试样与参比物之间的最大温差;峰的起始温度为峰前沿斜率最大处的切线与基线交线所对应的温度,见图中点T i ;曲线热效应峰与基线间包围的面积即为峰面积,可按积分或三角形方法求得。峰面积可表征试样的热效应,计算公式如下:KA RA dt T b a =m C H 式中T 为热焓,A 为峰面积,R 为热阻,K 为修正系数,其大小可由标样测定。由上式可知,T 只跟峰面积A 有关,因此校正后的差热分

6、析仪可定量测试试样热效应。 图1典型的TG 曲线图2实际DTA 曲线3.影响热重-差热分析的因素(1升温速率V:V 过大,产生热滞后现象严重,导致TG 曲线上起始温度T 1和终止温度T 2偏高,且不利于中间产物的检出,但是不影响试样的失重量;DTA 曲线基线飘移严重,分辨率较低,但是测试时间短。一般升温速率不超过10/min。(2试样:试样的粒度和质量及装样的均匀性对分析也会产生影响。(3稀释剂:稀释剂指在试样中加入一种与试样不发生任何反应的惰性物质(通常是参比物,使得试样与参比物的热容接近,有助于改善基线的稳定性,提高检测的灵敏度,但同时会降低峰的面积。(4气氛与压力:试样周围的气氛对试样本

7、身的反应有较大影响,试样的分解产物可能与气流反应,也可能被气流带走。同一试样在不同的气氛和压力下分解过程不同,其TG-DTA曲线也会变化。因此通常采用动态惰性气氛,如N2、Ar等三.实验仪器及试样制备1.实验仪器仪器:HCT-2型TG-DTA综合热分析仪(见图3。其主要由精密天平、加热炉、热电偶和控制单元组成。规格:温度:工作温度RT1450;升温速率:0.315/min80/min;温度准确度:±0.3;温度重复性:±0.5。天平:天平测量范围:1mg200mg;灵敏度:0.1g;解析度:1g;热重噪声:<1g;坩埚容积:0.06ml。差热数据:测量范围:±

8、;10v±1000v;DTA解析度:0.005;热重噪声:0.01。 图3HCT-2型TG-DTA综合热分析仪2.试样制备粉体试样粒度一般为100300目之间;聚合物可切成碎块或碎片;纤维状试样可截成小段或绕成小球;金属试样可加工成碎块或小粒。采用精密天平称取1030mg的样品装入陶瓷坩埚。(试样体积一般不超过坩埚容积的五分之四,对于加热时发泡试样不超过坩埚容积的二分之一或更少,或用氧化铝粉末稀释,以防发泡时溢出坩埚。坩埚装样后,可在桌面轻墩几下,防止装样时洒落样品。四.实验步骤1.装炉:双手轻轻抬起加热炉(注意用力均匀,然后以左手为中心,右手轻轻旋转炉子,露出等臂天平。左手轻扶炉子

9、,用左手拇指扶着右手拇指,防止右手抖动。用右手将参比物放在天平左边的托盘,测量物放在右边的托盘。最后双手轻轻放下炉体,5min后,待炉膛温度均匀后即可进行数据采集。2.打开电脑,运行热分析软件。“文件”“新采集”设置实验参数,包括升温速度,加热温度(最高温度为1450,保温时间等。若需阶梯升温,继续点击添加,设置相关参数。确认后即可自动进行测量。同时,打开冷却水,对炉体降温。若需气体保护,则在装样后测量前至少通1h保护气,以排尽炉内空气。3.当试样达到预置的终止温度时,测量自动停止,然后保存数据。待炉温冷却后,在关机,关冷却水,关气瓶。4.进入分析界面,打开所测试的文件,选择感兴趣的项目进行分析,最后进行打印存盘。六.实验内容和要求1.教师现场介绍热重-差热分析仪的原理及构造、演示操作过程及数据分析。2.学生分组练习设备的操作,并记录分析实际曲线