实验二  综合热分析实验

一．实验目的

1.      了解热分析技术适用范围与测试对象

2.      了解综合热分析仪STA 449C的结构和测试原理

3.      观察热分析仪的操作方法和测试结果分析。

   

二．           实验原理

  热分析是指在程序温度的控制下测量物质的物理性能与温度关系的一类技术。在热分析法中，物质在一定温度范围内发生变化，包括与周围环境作用而经历的物理变化和化学变化，如释放出结晶水和挥发性物质的碎片、热量的吸收或释放，某些变化还涉及到物质的质量增加或质量损失，发生热化学变化和热物理性质及电学性质变化等。热分析法的核心就是研究物质在受热或冷却时产生的物理和化学的变迁速率和温度以及所涉及的能量和质量变化。总之，热分析技术是建立在物质热行为上的一类分析方法。

就固体物质而言受热后物理性质将发生变化。如导热系数、热膨胀系数、热辐射性质、热容等都会发生变化。当金属材料从一个相转变为另一个相的过程中会吸收或放出热量，如固态相变潜热、固液熔融相变潜热，发生相变所对应的温度称为临界点。热分析方法就是测出发生相变的临界点温度。对于金属合金材料，可以通过测出一系列不同成份配比的合金的临界点，并将同一物性的点连起来而得到合金的相图，这也是测定相图的最常用的方法。

常用的热分析方法有三种：差热分析法（DTA）、差示扫描量热分析法（DSC）和热重分析法（TG）。

1．差热分析法（DTA）

   差热分析是在温度程序的控制下，测量物质的温度与参比物的温度差和温度关系的一种技术。其原理是：在相同的加热条件下对试样加热或冷却，若试样中不发生任何热效应，试样的温度和参比物的温度相等，两者温差为零。若试样发生吸热效应，试样的温度将滞后于参比物的温度，此时两者的温差不为零，并在DTA曲线上出现一个吸热峰；若试样发生放热效应，试样的温度将超前于参比物的温度，此时两者的温差也不为零，并在DTA曲线上出现一个放热峰。根据记录的曲线，就可以测出反应开始的起始温度，反应峰所对应的温度（峰位置），峰的面积就和产生的热效应值对应。通过这些信息，就可以对物质进行定性和定量分析。

2．差示扫描量热分析法（DSC）

   差示扫描量热分析也是用参比物和试样进行比较，但是两者的重要差别在于DSC的参比物和试样各自由一个单独的微型加热室加热。当试样按程序升温时，控制系统根据试样和参比物的温差信号来调节加热器的功率输出，使试样和参比物在整个试验过程中（不论有无热效应发生）始终保持温度一致，即两者的温差为零。所记录的是试样和参比物之间的功率差随温度的变化曲线，称为DSC曲线。

DSC和DTA一样可以用来测量转变温度、转变时间和热效应峰或谷。其峰或谷的面积与试样转变时吸收或放出的热量成正比。

3．热重分析法（TG）

热重分析法就是在程序温度的控制下，借助于热天平，获得试样的质量随温度变化关系的信息。它的适用范围很广，研究的对象包括金属、陶瓷、橡胶、塑料、玻璃以及其它一些有机和无机材料。它可以进行吸附、裂解、氧化还原的研究，耐热性、热稳定性、热分解及其产物的分析，汽化、升华及反应动力学的研究。

由热重法测得的记录为热重曲线或称TG曲线，其横坐标表示温度或时间，纵坐标表示质量。曲线的起伏表示的质量的增加或减少。平台部分表示试样的质量在此温度区间的稳定的。

热重法仅能反映物质在受热条件下的质量变化，由它获得的信息有一定的局限性。此法受到许多因素的影响，是在一些限定条件下获得的结果，这些条件包括仪器、实验条件和试样因素等。因此获得的信息又带有一定的经验性。如果利用其它一些分析方法进行配合试验，将对测试结果的解释更有帮助。

DTA、DSC、TG等各种单功能的热分析仪若相互组装在一起，就可以变成多功能的综合热分析仪，如DSC—TG、DTA—TG等。综合热分析仪的优点是在完全相同的实验条件下，即在同一次实验中可以获得多种信息，这样会有助于比较顺利地得出符合实际的判断。

三．           实验方法

1. 实验仪器

本次实验使用的是德国耐驰（NETZSCH）公司制造的STA 449C型综合热分析仪。可同时进行DSC—TG或DTA—TG的测定。仪器内部结构图见图2.1

该仪器为国际先进水品。最高加热温度为1700℃，热天平采用恒温水套冷却，样品室可以通入氮气或惰性气体，也可以在真空下进行加热，全部设置在计算机上完成，整套仪器的试验过程全部自动完成。仪器装有曲线分析软件，可直接进行曲线的定量和定性分析，功能十分强大。

     

1.      实验步骤

应严格按照仪器的操作规程操作仪器

   ① 打开仪器电源预热0.5小时，同时打开恒温水浴。后期打开保护气和吹扫气阀门。

   ② 打开仪器样品室，放入参比物（空坩锅）和空试样坩锅，热天平清零。

   ③ 在空试样坩锅内装入样品，关闭样品室。

   ④ 打开程序文件，输入有关试验信息，如样品（文件）名称及质量、试验方式（基线、样品或样品＋基线）、温度、加热速率、保温时间、吹扫气供气方式等。确认无误后开始试验。

   ⑤ 试验过程中或完成后均可打开分析软件对试验曲线进行分析、测定。试验曲线可打印输出或作为图片文件输出，试验数据也可作为数据文件输出。

           图2.1  STA 449C 综合热分析仪

⑤ 试验过程中或完成后均可打开分析软件对试验曲线进行分析、测定。试验曲线可打印输出或作为图片文件输出，试验数据也可作为数据文件输出。

⑥ 试验完成后待温度降至80℃一下方可关闭全部电源和气源。

三．实验报告

1．要叙述测定热分析实验原理

2．要叙述热分析实验意义和种类

3．要叙述综合热分析仪的结构和测试工作过程

4．分析测试曲线和数据

第二篇：DSC_TG综合热分析实验

一、 实验原理

差示扫描量热分析法（DSC）

差示扫描量热分析也是用参比物和试样进行比较，但是两者的重要差别在于DSC的参比物和试样各自由一个单独的微型加热室加热。当试样按程序升温时，控制系统根据试样和参比物的温差信号来调节加热器的功率输出，使试样和参比物在整个试验过程中（不论有无热效应发生）始终保持温度一致，即两者的温差为零。所记录的是试样和参比物之间的功率差随温度的变化曲线，称为DSC曲线。

DSC可以用来测量转变温度、转变时间和热效应峰或谷。其峰或谷的面积与试样转变时吸收或放

出的热量成正比。

热重分析法（TG）

热重分析法就是在程序温度的控制下，借助于热天平，获得试样的质量随温度变化关系的信息。

它的适用范围很广，研究的对象包括金属、陶瓷、橡胶、塑料、玻璃以及其它一些有机和无机材料。它可以进行吸附、裂解、氧化还原的研究，耐热性、热稳定性、热分解及其产物的分析，汽化、升华及反应动力学的研究。

由热重法测得的记录为热重曲线或称TG曲线，其横坐标表示温度或时间，纵坐标表示质量。曲

线的起伏表示的质量的增加或减少。平台部分表示试样的质量在此温度区间的稳定的。

热重法仅能反映物质在受热条件下的质量变化，由它获得的信息有一定的局限性。此法受到许多

因素的影响，是在一些限定条件下获得的结果，这些条件包括仪器、实验条件和试样因素等。因此获得的信息又带有一定的经验性。如果利用其它一些分析方法进行配合试验，将对测试结果的解释更有帮助。

DSC、TG等各种单功能的热分析仪若相互组装在一起，就可以变成多功能的综合热分析仪，综合

热分析仪的优点是在完全相同的实验条件下，即在同一次实验中可以获得多种信息，这样会有助于比较顺利地得出符合实际的判断。

四、影响综合热分析的因素

试样量和试样皿

热重法测定，试样量要少，一般2～5mg。一方面是因为仪器天平灵敏度很高(可达0.1μg)，另一方面如果试样量多，传质阻力越大，试样内部温度梯度大，甚至试样产生热效应会使试样温度偏离线性程序升温，使TG曲线发生变化，粒度也是越细越好，尽可能将试样铺平，如粒度大，会使分解反应移向高温。

试样皿的材质，要求耐高温，对试样、中间产物、最终产物和气氛都是惰性的，即不能有反应活性和催化活性。通常用的试样皿有铂金、陶瓷、石英、玻璃、铝等。特别要注意，不同的样品要采用不同材质的试样皿，否则会损坏试样皿，如：碳酸钠会在高温时与石英、陶瓷中的SiO2反应生成硅酸钠，所以象碳酸钠一类碱性样品，测试时不要用铝、石英、玻璃、陶瓷试样皿。铂金试样皿，对有加氢或脱氢的有机物有活性，也不适合作含磷、硫和卤素的聚合物样品，因此要加以选择。

升温速率

升温速度越快，温度滞后越严重，如聚苯乙烯在N2中分解，当分解程度都取失重10%时，用1℃/min测定为357℃，用5℃/min测定为394℃相差37℃。升温速度快，使曲线的分辨力下降，会丢失某些中间产物的信息，如对含水化合物慢升温可以检出分步失水的一些中间物。

气氛的影响

热天平周围气氛的改变对TG曲线影响显著，CaCO3在真空、空气和CO2三种气氛中的TG曲线，其分解温度相差近600℃，原因在于CO2是CaCO3分解产物，气氛中存在CO2会抑制CaCO3的分解，使分解温度提高。

聚丙烯在空气中，150～180℃下会有明显增重，这是聚丙烯氧化的结果，在N2中就没有增重。气流速度一般为40ml/min，流速大对传热和溢出气体扩散有利。

五，数据处理

TG-DSC曲线分析

打开保存的文件，根据实验报告的要求，可任选以时间为横轴或温度为横轴（从主菜单“设置”中的 “温度坐标”切换得到）。

TG曲线分析：右击鼠标，进入“曲线分析”菜单，选择TG曲线，在该曲线待分析失重段的左端起点双击鼠标左键，然后拖动至所选峰段的右端点处，观察所出现的文字位置是够合适，不合适的话通过上

下移动鼠标调整至合适位置，然后松开左键，按上述方法依次分析三个失重过程。

DSC曲线分析：右击鼠标，选择处理DSC曲线，分别在该曲线上的三个吸热峰左端双击鼠标左键，然后拖动至所选吸收峰的右端点处双击，在弹出的窗口的左端选择需要分析的数据，并以此单击左键并将数值移动至合适位置（依次得到外推起始温度Te、峰顶温度Tm、反应峰面积、反应热焓）后单击“返回”键，此时回到原图并显示得到的分析数据。 若对分析结果不满意，单击的主菜单“重画”纽，可删除已写上去的分析数据。

鼠标左键单击主菜单的“打印”钮，此时，将从打印机输出一张“RSZ热分析报告”。

六、注意事项

1．由于本仪器面板许多参数是出厂设定值，不能任意更改，以免影响仪器正常运行；

2．试样装填和取出动作要轻稳，一般情况由试验老师操作；

3．不得随意更改计算机中的预设参数和端口设置等。