岛津DTG-60H热分析实验报告--TG,DTA曲线联用分析

岛津DTG-60H热分析实验
一．实验原理
热分析（thermal analysis）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类技术，在加热和冷却的过程中，随着物质的结构、相态和化学性质的变化，通常伴有相应的物理性质的变化，包括质量、温度、热量以及机械、声学、电学、光学、磁学等性质，依此构成了相应的各种热分析测试技术。

表1列出了几种主要的热分析法及其测定的物理化学参数和有关仪器。

其中最具代表性的三种方法：热重法（TG），差热分析（DTA），差示扫描量热法（DSC）。

本实验使用的岛津DTG-60H是一类差热（DTA）—热重（TG）同步测定装置。

热重法（Thermalgravimetry, TG）是在程序控制温度下，测量物质的质量和温度关系的一种技术。

热重法记录的是热重曲线（TG曲线），它是以质量作纵坐标，从上向下表示质量减少；以温度（T）或时间（t）作横坐标，自左向右表示增加。

用于热重法的仪器是热天平，它连续记录质量和温度的函数关系。

热天平一般是根据天平梁的倾斜与质量变化的关系进行测定的，通常测定质量变化的方法有变位法和零位法两种。

变位法利用质量变化与天平梁的倾斜成正比关系，用直接差动变压器检测。

零位法根据质量变化引起天平梁的倾斜，靠电磁作用力使天平梁恢复到原来的平衡位置，所施加的力与质量变化成正比。

DTG-60H采用的
为变位法。

只要物质受热时发生质量的变化，就可用热重法来研究其变化过程。

其应用可大致归纳成如下几个方面：（1）了解试样的热（分解）反应过程，例如测定结晶水、脱水量及热分解反应的具体过程等；（2）研究在生成挥发性物质的同时所进行热分解反应，固相反应等；（3）用于研究固体和气体之间的反应；（4）测定熔点、沸点；（5）利用热分解或蒸发、升华等，分析固体混合物。

图1为在相同实验条件下测得的聚氯乙烯（PVC），聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA），高压聚乙烯（HPPE），聚四氟乙烯（PTPE）和芳香聚四酰亚胺（PI）的热重曲线。

它们不仅提供了高聚物分解温度的信息，也很简便地比较了高聚物的热稳定性。

差热分析（Differential thermal analysis, DTA）是在程序控制温度下，测量试样与参比物（一种在测量温度范围内不发生任何热效应的物质）之间的温度差与温度关系的一种技术。

在实验过程中，可将试样与参比物的温差作为温度或时间的函数连续记录下来：
⊿T = ƒ（T或t）
由于试样和参比物的测温热电偶是反向串联（见图2），所以当试样不发生反应，即试样温度（T s）和参比温度（T r）相同时，⊿T = T s —T r = 0，相应的温差电势为0。

当试样发生物理或化学变化而伴有热的吸收或释放时，则⊿T≠0，相应的温差热电势讯号经放大后送入记录仪，得到以⊿T为纵坐标，温度为横坐标的差热曲线（DTA曲线），如图3所示其中
基线相当于⊿T = 0，试样无热效应产生；向上和向下的峰反映了试样的放热、吸热过程。

图4为吸热反应中试样的真实温度和试样与参比物温差⊿T的比较，从试样温度曲线可见，
吸热过程开始于A点。

此时由于试样吸收热量，体系温度偏离直线而落后于炉温。

达到B点时，反应基本完成。

随后体系温度逐渐上升，至C点再回到炉温。

至于温差曲线，显然更为清晰明显。

由图可见，⊿T开始于A点，其最大值（峰点）则在B点，至C点又回到基线。

采用⊿T作检测量，比单纯用实验温度更为理想，因为这样能更好地确定峰点位置。

如果是放热反应，将得到类似的差热峰形，只是差热峰处于与吸热峰相反的方向。

将不同体系的吸热和放热的原因归纳于表2，供判断差热峰的产生机理时参考。

图5为高聚物的DTA模式曲线，它反映了高聚物随温度升高所产生的玻璃化转变、结晶、熔融、氧化和分解等过程。

DTA曲线的峰形，出锋位置，峰面积等受试样的质量，热传导率，比热，粒度，填充的程度，周围气氛和升温速度等因素的影响。

以升温速度为例，升温速度太慢，转变不明显，甚至观察不到；升温速度快，转变明显，但达到峰值的温度向高温方向偏移，峰形尖锐，但峰的分辨率降低，一般采用10℃/分比较合适。

一般情况下，在实验时采用薄膜或细粉状样品，并使试样铺满盛器底部，加盖压紧，试样底部尽可能平整；保证和托架之间的良好接触。

气氛应该是静态的，也可以是动态的，就气体性质而言，可以是惰性的，也可以是参加反应的，视实验要求而定。

一般采用N2，流量在30毫升/分左右。

差热分析主要应用于以下方面：研究结晶转变，二级转变；追踪熔融，蒸发等相变过程；用于分解、氧化还原、固相反应等的研究。

在热分析中，参比物应选择那些在实验温度范围内不发生热效应的物质，如α-氧化铝、石英、硅油、瓷、玻璃珠等。

二、实验仪器
岛津DTG-60H，是一类差热（DTA）—热重（TG）同步测定装置，如图6所示。

图7为操作键和显示屏的图示。

图8为参比物和试样架示意图。

图9为DTG-60H 的热失重部分结构图。

本实验中采用的参比物为α-氧化铝，试样进样重量视试样性质而定，有机物进样量约为参比物的两倍质量，无机物进样与参比物质量相等即可。

三、实验步骤
1、开启电脑和DTG-60H，并预热10分钟。

2、称取聚丙烯（PP）材料5mg，放入铝坩埚中，将铝坩埚放入DTG-60H样品架上（右侧）。

3、通入保护气（N2），流量为40ml/min（指示球位于中间位置）。

设定测试程序，升温速度为10℃/min，最高温设置为200℃；降温速度设置为10℃/min。

将重量输入重量栏，或者直接仪器读取（在zero的前提下）。

为数据设置到目标文件夹内。

4、启动DTG-60H测试程序，对PP样品进行DTA和TG测试。

5、根据数据处理方法介绍处理数据，分析样品的T g，T m以及T d等。

四、结果与分析
1.图1是聚丙烯的热分析数据处理结果，相关信息标于图中，可以看出，在温度从20℃升高到300℃的过程中，TG曲线是一条几乎水平的直线，说明未发生失重；DTA在170.5℃出现吸热峰，是由于熔化吸收热量所致，说明PP的熔点是170.5℃，与标准数据作比较，判断此PP应是全同立构聚合物。

Thermal analysis data DTA
Temp[℃]
图1 聚丙烯的DTG曲线
2. 图2是丁二酸的热分析图谱，相关信息标于图中。

由热失重曲线可知，温度升高到
186℃，发生失重，说明有分解反应发生，此过程是丁二酸熔化，并逐渐脱去小分子水，生成酸酐。

再由DTA曲线，知丁二酸的熔点是191℃，沸点是235℃。

Temp[℃]
TGA Thermal analysis data DTA
图2 丁二酸的DTG曲线
3.图3是三苯基磷的热分析图谱，综合TG和DTA曲线知，83℃是其熔点，固态三苯基磷熔融吸热；179.7℃以后，发生了热分解反应，导致失重和吸热峰的产生。

Temp[℃]DTA mV
Thermal analysis data
图3 三苯基磷的DTG曲线。