热分析
热分析(ansys教程)
1. 对流边界条件：需要提供对流 系数、流体温度和表面传热系数 等信息。
3. 初始条件：确保初始温度等初 始条件设置合理，不会导致求解 过程不稳定。
求解收敛问题
•·
1. 迭代方法：选择合适的迭代方 法，如共轭梯度法、牛顿-拉夫森 法等。
2. 松弛因子调整：根据求解过程， 适时调整松弛因子，以提高求解 收敛速度。
稳态热分析的步骤
建立模型
使用ANSYS的几何建模工具创建分析对象 的几何模型。
后处理
使用ANSYS的后处理功能，查看和分析结 果，如温度云图、等温线等。
网格化
对模型进行网格化，以便进行数值计算。 ANSYS提供了多种网格化工具和选项，可 以根据需要进行选择。
求解
运行求解器以获得温度分布和其他热分析 结果。
电子设备散热分析
研究电子设备在工作状态下的散热性能，提高设备可靠性和 使用寿命。
06 热分析的常见问题与解决 方案
网格划分问题
网格划分是热分析中重要 的一步，如果处理不当， 可能导致求解精度和稳定 性问题。
•·
1. 网格无关性：确保随着 网格数量的增加，解的收 敛性得到改善，且解不再 发生大的变化。
03 稳态热分析
稳态热分析的基本原理
01
稳态热分析是用于确定物体在稳定热载荷作用下的温度分布。在稳态条件下， 物体的温度场不随时间变化，热平衡状态被建立，流入和流出物体的热量相等 。
02
稳态热分析基于能量守恒原理，即流入物体的热量等于流出物体的热量加上物 体内部热量的变化。
03
稳态热分析通常用于研究物体的长期热行为，例如散热器的性能、电子设备的 热设计等。
热分析的基本原理基于能量守恒定律，即物体内部的能量变化应满足能量守恒关系。
热分析的原理与应用
热分析的原理与应用1. 热分析的基本原理热分析是一种通过对样品在不同温度或时间条件下的物理或化学变化进行分析的方法，其基本原理包括以下几个方面：•热重分析（TG）：热重分析通过测量样品在升温过程中的质量变化来分析样品的成分和性质。
样品在升温时，其质量会随温度的变化而发生变化，这是因为样品中存在着各种物质的热分解、氧化、化合物变化等反应过程。
通过对样品质量随时间或温度的变化进行监测和分析，可以得到样品的热分解特性和成分信息。
•热差示扫描量热法（DSC）：热差示扫描量热法是一种通过测量样品在升温或降温过程中与基准物质之间的温差来分析样品热性质的方法。
样品和基准物质在温度条件下可能会发生吸热或放热反应，从而产生温差。
通过测量样品和基准物质之间的温差，可以了解样品的热容量、热变化、相变等信息。
•差热分析（DTA）：差热分析是一种通过测量样品和参比物在升温或降温过程中的温差来分析样品的性质和反应的方法。
样品和参比物在升温或降温过程中可能会发生物理或化学变化，从而产生温差。
通过测量样品和参比物之间的温差，可以推断出样品的热性质和反应特性。
2. 热分析的应用领域热分析在各个领域中有着广泛的应用，以下列举了其中的几个应用领域：•材料科学与工程：热分析可以用于材料的性能测试和品质控制。
通过热分析可以了解材料的热固化过程、热稳定性、相变行为、热膨胀系数等性质，从而指导材料的设计、工艺优化和使用条件的确定。
•环境科学：热分析可以用于环境污染物的检测和分析。
通过热分析可以了解样品中的有机和无机物质的热稳定性、燃烧特性等。
例如，使用热分析可以对废物和大气污染物中的有机物进行检测和定性分析。
•药物研发：热分析可以用于药物的研发过程中的药物稳定性测试和相变行为研究。
通过热分析可以了解药物在不同温度和湿度条件下的稳定性、热分解特性等，从而指导药物的储存和使用条件的确定。
•食品科学：热分析可以用于食品中成分和品质的分析和检测。
通过热分析可以了解食品中的蛋白质、脂肪、糖等成分的热稳定性、降解特性，从而判断食品的品质和存储条件。
热分析认识实验报告
一、实验目的1. 了解热分析的基本原理和方法；2. 掌握热重分析（TG）和差热分析（DTA）的操作方法；3. 通过实验，分析样品的热性质变化，并探讨其与物质结构、组成的关系。
二、实验原理热分析是一种基于物质在加热或冷却过程中物理性质和化学性质变化的测试方法。
主要方法包括热重分析（TG）、差热分析（DTA）、差示扫描量热法（DSC）等。
本实验主要涉及TG和DTA两种方法。
1. 热重分析（TG）：在程序控制温度下，测量物质的质量与温度或时间的关系。
通过TG曲线，可以分析样品的热稳定性、分解温度、相变温度等热性质。
2. 差热分析（DTA）：在程序控制温度下，比较样品与参比物的温度差。
当样品发生相变、分解等热效应时，其温度差会发生变化，从而得到DTA曲线。
三、实验器材1. 热重分析仪2. 差热分析仪3. 样品支架4. 样品5. 计算机及数据采集软件四、实验操作步骤1. 样品准备：将样品研磨成粉末，过筛，取适量放入样品支架。
2. 热重分析（TG）实验：a. 打开热重分析仪，预热至设定温度；b. 将样品支架放入炉内，设置加热程序；c. 记录样品质量随温度的变化曲线。
3. 差热分析（DTA）实验：a. 打开差热分析仪，预热至设定温度；b. 将样品支架放入炉内，设置加热程序；c. 同时记录样品与参比物的温度差随时间的变化曲线。
4. 数据处理与分析：将实验数据导入计算机，使用数据采集软件进行曲线拟合、峰面积计算等分析。
五、实验结果与分析1. 热重分析（TG）结果：通过TG曲线，可以看出样品在加热过程中质量的变化。
分析样品的分解温度、相变温度等热性质。
2. 差热分析（DTA）结果：通过DTA曲线，可以看出样品在加热过程中温度差的变化。
分析样品的相变温度、分解温度等热性质。
3. 结果比较：对比TG和DTA结果，分析样品的热性质变化，探讨其与物质结构、组成的关系。
六、实验结论通过本次实验，我们掌握了热重分析（TG）和差热分析（DTA）的操作方法，分析了样品的热性质变化，并探讨了其与物质结构、组成的关系。
热分析ppt幻灯片课件
结果解析与讨论
峰归属与物质鉴定
根据峰位、峰形等信息推断物质种类及结构 。
热稳定性评价
通过比较不同物质的热分解温度、热稳定性 参数等评估其热稳定性。
反应动力学分析
研究物质在加热过程中的反应速率、活化能 等动力学参数，揭示反应机理。
结果可靠性验证
采用多种方法对数据结果进行交叉验证，确 保结果准确性和可靠性。
04
原理
在程序控制温度下，测量 物质的质量与温度的关系 。
应用
用于研究物质的热稳定性 、分解过程、挥发过程等 热性质，以及进行物质的 定性和定量分析。
优点
设备简单，操作方便，可 测量宽温度范围内的热性 质。
缺点
对样品的均匀性要求较高 ，易受气氛影响。
热机械分析法
原理
在程序控制温度下，测量物质的尺寸或形状 变化与温度的关系。
反应平衡常数测定
利用热分析数据，可以计算化学反应的平衡常数 ，进而研究反应在不同温度下的平衡状态。
3
热化学方程式推导
基于热分析实验结果，可以推导化学反应的热化 学方程式，明确反应物和生成物之间的热力学关 系。
化学反应动力学研究
01
反应速率常数测定
通过热分析技术，可以测定化学 反应的速率常数，了解反应在不 同温度下的速率变化。
优点
可直观观察物质的尺寸或形状变化，对研究 物质的热机械性能有重要意义。
应用
用于研究物质的热膨胀、收缩、相变等热性 质，以及进行物质的定性和定量分析。
缺点
设备较复杂，操作要求较高，对样品的形状 和尺寸有一定要求。
04
热分析数据处理与解 析
数据处理基本方法
数据平滑处理
消除随机误差，提高数据信噪比。
热分析
33
峰面积的计算
DTA峰面积的确定（基线有偏移 ） 1)分别反应开始前和反应终止后的基线延长线，它们离开 基线的点分别是Ta和Tf，联结Ta，Tp，Tf各点，便得峰面积， 这就是ICTA(国际热分析协会)所规定的方法。
14
测温热电偶的基本原理
构成差热电偶的材料为镍铬合金或铂铑合金，较常用的为铂 铑合金热电偶。取直径相同、长度相等的铂丝两根，取直径 与铂丝相等而长度适中的铂--铑合金丝一段，在弧光焰上， 将铂--铑合金丝的两端分别焊接于两根铂丝上，这样就制成 了铂－铂铑差热电偶。
15
测温热电偶的基本原理
16
差热分析仪器结构
8
测温热电偶的基本原理
由物理学得知，在金属中存在着许多自由电 子，这些电子能够在金属离子构成的晶体点 阵里自由移动，即作不规则的热运动。在通 常的温度下，电子虽然作热运动，却不会从 金属中逸出。电子要从金属中逸出，就得消 耗一定的功，这个功叫做逸出功。
9
测温热电偶的基本原理
当两种金属接触时，不规则热运动的电子将从一种金属转移 到另一种金属中去。假定有两种金属A和B，假定电子从金属 A中逸出的功大于由金属B中逸出的功，即VA＞VB 。电子就 会从金属B中逸出而转移到金属A中。金属A中有过多的电子， 金属B中的电子少。金属A带负电，而金属B带正电。两金属 间就产生电位差VAB。电位VAB的存在，就出现一个电场。电 场阻止电子继续迁移到金属A中。电位差VAB 等于VB 与VA之 差，即：
34
物质产生热效应（吸热和放热）的原因
高分子研究方法-热分析TG、TMA、DSC、DMTA、DETA
理论失重量为14.4% 理论失重量为14.4% 理论失重量为7.2%
重量(%) 微分重量(%/min)
2.3.2 水合草酸钙的热分解
样品17.6mg
100
80
60
40
12.35% (2.175)mg
18.71% (3.293mg)
10 8 6 4
30.12%
2
(5.303mg)
0
20
0
200
400
总失重率= (W0W3)/ W0=36.6%
理论失重量为36%
重量(mg)
AB
W0
W0 -W1
CD
W1 W1-W2
E
W2 W2- W3
W3
W3
F GH
45 78 100 118
温度(℃)
212 248
结论：结晶硫酸铜分三次脱水 CuSO4·5H2O → CuSO4·3H2O + 2H2O ↑ CuSO4·3H2O → CuSO4·H2O + 2H2O ↑ CuSO4·H2O → CuSO4 + H2O ↑
CuSO4·5H2O → CuSO4 + 5H2O
结晶硫酸铜(CuSO4·5H2O)的TG曲线示意图
重量(mg)
AB
W0
W0 -W1 W1
CD
W1-W2
E
W2
W3 W2- W3
W3
45 78 100 118
温度(℃)
F GH
212 248
重量(mg)
AB
W0
W0 -W1
CD
W1
W1-W2
E
W2
W2- W3
增塑PVC组成测定
热分析方法的原理和应用
、质量损失速率、温度的倒数，求出相邻点间的差值，再 使用公式，通过作图法求得活化能E与反应级数n
• 极值法 在TG、DTG曲线上取包括峰值在内的一系列重量～温
度值，使用公式，利用作图法求得活化能E、频率因子A 与反应级数n
TG 曲线
图中所示的反应单从 TG 曲线上看，有点像一个单一步骤的过程
DTG
DTG 曲线
但从微分（DTG）曲线则明显区分出分解分为两个相邻的阶段
Sample
热重分析仪（TG）原理图
Furnace
Ba la nc e
NETZSCH 热重分析仪： TG 209 C Iris®
FT(IR23g0a癈s )cell
药物熔点的测定
药物纯度的测定
❖ 依据van’t Hoff方程 ：
T = T0 - (RT02c / DHo).(1/F)
c = (T0 - Tm).DH0 / RT0
T / K为样品熔化过程中某一瞬间的温度；T0 / K为纯
化合物的熔点；Tm /K为样品的熔点; F为温度T时被测
样品熔化的摩尔分数, DH0 为熔化焓，c为样品中杂
质的分数。 ❖ 以熔化过程中样品温度T对1/F作图, 应为一直线,其截
速率常数 k 的意义
阿仑尼乌斯方程：k = A ·e -Ea/RT • A：指前因子，又称频率因子，与活化分子转化成产物分
子的速率有关。 • E方a：能活参化与能反应。，反其应大体小系反中映具了有反活应化速能率E随a 的温“度活的化变分化子程”度
。随着温度的升高，活化分子数增多，更多的分子具有了 活化能。活化能较大的反应，升高温度能够显著加快反应 速率，活化能较小的反应则反之。 • R：摩尔气体常数，R ＝ 8.314 J·K-1·mol-1
热分析技术(最新版)PPT课件
特点
设备简单、操作方便、试样用量少； 但精度较低、分辨率差。
应用
研究物质的物理变化（晶型转变、熔 融、升华和吸附等）和化学变化（脱 水、分解、氧化和还原等）。
差示扫描量热法
原理
在程序控制温度下，测量输入到 物质和参比物的功率差与温度的
关系。
应用
测定多种热力学和动力学参数， 如比热容、反应热、转变热等； 研究高分子材料的结晶、熔融和
流体中由于温度差异引起的密度变 化而产生的宏观运动，是热量传递 的一种重要方式。
热辐射
物体通过电磁波的形式发射和吸收 能量，其辐射强度与物体温度、表 面性质等因素有关。
热分析中的物理量与单位
温度
热力学系统的一个物理属性，表示物体冷 热的程度，常用单位有摄氏度、华氏度、
开尔文等。
热容
物体在温度变化时所吸收或放出的热量与 其温度变化量之比，常用单位有焦耳/摄氏
环境科学领域应用
大气污染物分析
利用热分析技术可以对大气中的 污染物进行分析和鉴定，揭示大 气污染物的来源和危害。
土壤污染物分析
通过热分析技术可以分析土壤中 的污染物，评价土壤的污染程度 和生态风险。
环境样品热性质研究
利用热分析技术可以研究环境样 品的热性质，如热稳定性、热分 解温度等，为环境科学研究和环 境保护提供技术支持。
热机械分析法
原理
01
在程序控制温度下，测量物质在非振动载荷下的形变与温度的
关系。
应用
02
研究材料的热膨胀系数、玻璃化转变温度、流动温度等；评估
材料的尺寸稳定性、内应力和热震稳定性等。
特点
03
能直接测量材料的形变，反映材料的机械性能随温度的变化；
热分析的原理
热分析的原理
热分析是一种利用物质在升温过程中吸收或释放热量的特性来研究物质性质和组成的分析方法。
热分析方法主要包括热重分析和热量分析两种。
热重分析是利用物质在升温过程中失去质量的特性来研究物质的性质和组成，而热量分析则是利用物质在升温过程中吸收或释放热量的特性来研究物质的性质和组成。
热分析的原理可以总结为以下几点：
首先，热分析是基于物质在升温过程中吸热或放热的特性。
在升温过程中，物质会吸收热量使其温度升高，同时也会释放热量。
这种吸热或放热的过程可以反映出物质的性质和组成。
其次，热分析是基于物质在升温过程中发生物理和化学变化的特性。
在升温过程中，物质的性质和组成会发生变化，这些变化可以通过热分析方法来进行研究和分析。
另外，热分析是基于物质在升温过程中失去质量的特性。
在升温过程中，部分物质会发生分解或挥发，导致失去质量，这种失去质量的过程也可以用于研究物质的性质和组成。
最后，热分析是基于物质在升温过程中吸收或释放热量的特性。
在升温过程中，物质会吸收或释放热量，这种吸热或放热的过程可
以用于研究物质的性质和组成。
总的来说，热分析的原理是基于物质在升温过程中吸热或放热、发生物理和化学变化、失去质量以及吸收或释放热量的特性来进行
研究和分析。
通过热分析方法，可以了解物质的性质和组成，为科
学研究和工程应用提供重要的参考依据。
第三章热分析技术
从上述可以看出热分析技术的两个特点： 1）温度的变化是受程序控制的； 2）是一种很简便地测定因温度变化而引起材料物性改变的 方法，通常不涉及复杂的光谱仪或其他手段。 与热分析技术方法相应的现代热分析仪大致由五个部分 组成：程序控温系统、测量系统、显示系统、气氛控制系统、 操作和数据处理系统。 程序控温系统由炉子和控温两部分组成。测量系统是热 分析的核心部分。
三、差热分析
1、差热分析法的基本原理与差热分析仪 差热分析（DTA）：是在程序控制温度条件下，测量试样与参比物 （是制在测量温度范围内不发生任何热效应的物质，如Al2O3， MgO等）之间的温度差与温度的函数关系。其基本原理见图。 在差热分析仪中，样品和参比物分别装在两个坩埚内，两个热 电偶是反向串联（同极相连，产生的热电势正好相反）。样品和参比 物同时升问，当样品未发生物理或化学状态变化时，样品温度（Ts） 和参比物温度（Tr）相同时，ΔT=0，相应的温差电势为0。当样品发 生物理或化学变化而发生放热或吸热时，样品温度（Ts）高于或低于 参比物温度（Tr），产生温差。相应的温差热电势经放大后送入记录 仪或计算机，从而得到以ΔT为纵坐标，温度或时间为横坐标的差热 分析曲线（简称DTA曲线）。
热电偶
样品
参比物 电热丝 金属
仪器
thermal analysis
2、 DTA的定义
差热分析（DTA）是在程序控制温度 下，建立被测量物质和参比物的温度差与 温度关系的一种技术。数学表达式为
△T＝Ts－Tr＝（T或t）
其中： Ts ，Tr分别代表试样及参比物温 度；T是程序温度；t是时间。记录的曲线 叫差热曲线或DTA曲线。
热量
温度
第三章热分析技术
物理 性质 方法名称 内容及定义 应用范围
热分析的原理
热分析的原理
热分析是一种通过测量物质在温度变化过程中的热量变化来研究物质性质和组成的分析方法。
热分析的原理主要包括热重分析和热量分析两种方法。
热重分析是通过检测样品在升温过程中质量的变化来分析样品的组成和性质；热量分析是通过测量样品在升温或降温过程中释放或吸收的热量来分析样品的性质和反应特征。
热分析的原理基于热力学和动力学的基本理论，通过研究样品在不同温度下的热量变化来推断样品的组成、结构和性质。
热分析可以用于研究物质的热稳定性、热分解特性、相变特性、反应动力学等方面的问题，是一种非常重要的分析手段。
在热重分析中，样品在升温过程中发生质量损失或增加，可以推断出样品中的挥发分、水分、热分解产物等成分的含量和性质。
通过热重分析，可以得到样品的热重曲线，从中可以判断样品的热稳定性、热分解特性等信息。
在热量分析中，通过测量样品在升温或降温过程中释放或吸收的热量，可以推断出样品的热容、热导率、热稳定性等性质。
热量分析通常包括差示扫描量热法（DSC）、示差热分析法（DTA）等方法，通过这些方法可以得到样品在不同温度下的热量变化曲线，从中可以推断出样品的相变温度、热容变化、热反应特性等信息。
总的来说，热分析的原理是通过测量样品在温度变化过程中的热量变化来研究样品的性质和组成。
热分析是一种非常重要的分析手段，广泛应用于材料科学、化学、生物学等领域。
通过热分析，可以了解样品的热稳定性、热分解特性、相变特性、反应动力学等信息，为科学研究和工程应用提供重要的参考依据。
热分析PPT课件
热力学基础知识
热力学系统
研究对象，与周围环境有能量和 物质交换的体系
状态函数
描述系统状态的物理量，如温度、 压力、体积等
热力学第一定律
能量守恒定律在热力学中的应用， 表达式为ΔU=Q+W
热力学第二定律
热量不可能自发地从低温物体传 到高温物体，表达为ΔS≥0
热分析方法分类与特点
差热分析（DTA）
在程序控制温度下，测量物质与参比物之间的温度差随温 度变化的技术
06
热分析技术在材料科学中应用
材料性能表征与评估
热重分析（TGA）
通过测量材料在升温过程中的质量变化，研究其热稳定性、分解温 度、氧化稳定性等。
差热分析（DTA）
记录样品与参比物之间的温度差随温度变化的曲线，用于研究材料 的热效应、相变、反应动力学等。
差示扫描量热法（DSC）
测量样品与参比物之间的功率差随温度变化的曲线，用于研究材料 的熔点、结晶度、玻璃化转变温度等。
材料相变过程研究
01
相变温度的确定
通过热分析方法确定材料的固固相变、固-液相变、液-气相变 等相变温度。
02
相变动力学研究
03
相变机理探讨
研究材料在相变过程中的动力学 行为，如相变速率、相变活化能 等。
结合热分析数据与其他表征手段， 探讨材料相变的机理和影响因素。
材料老化、失效预测和寿命评估
热氧化稳定性评估
数据处理
将实验数据导入计算机，利用相关软件进行数据处理和 分析，如绘制热机械曲线、计算热膨胀系数等。
应用实例及优缺点分析
应用实例
研究材料的热稳定性、热膨胀性、相变等。
优点
可测量物质在宽温度范围内的热机械性能，提供丰富 的信息；实验操作简单，结果可靠。
高分子研究方法-热分析(TG、TMA、DSC等)介绍【实用参考】
高分子研究方法-热分析(TG、TMA、 DSC等)介绍
2.1.2 样品的粒度和用量
样品的粒度不宜太
W
大、装填的紧密程度适
中为好。同批试验样品，
每一样品的粒度和装填
紧密程度要一致
小用量
大用量
温度
高分子研究方法-热分析(TG、TMA、 DSC等)介绍
2.1.3 气氛
常用气氛为空气和N2，亦使用O2、He、 H2、CO2 、Cl2和水蒸气等。气氛不同反应 机理不同。气氛与样品发生反应，则TG曲 线形状受到影响
高分子研究方法-热分析(TG、TMA、 DSC等)介绍
样品重量分数w对温度T或
时间t作图得热重曲线(TG
曲线)：
w
w = f (T or t)
起始 水分 可燃 烧物
因多为线性升温，T与dw/dT 或 dw/dt 称微分热
重曲线(DTG曲线)
气流速度40~50mL/min
400 600 800 1000 1200 温度(C)
如存在挥发物的再冷凝，
问题
应加大热天平室气氛的通
气量
将CO2 、真空、空气
高分子研究方法-热分析(TG、TMA三、 种气氛与曲线对应
DSC等)介绍
2.1.4 试样皿
➢ 试样皿的材质有玻璃、铝、陶瓷、石英、金属等 ➢ 试样皿对试样、中间产物和最终产物应是惰性的 ➢ 聚四氟乙烯类试样不能用陶瓷、玻璃和石英类试样 皿，因相互间会形成挥发性碳化物 ➢ 白金试样皿不适宜作含磷、硫或卤素的聚合物的试 样皿，因白金对该类物质有加氢或脱氢活性 ➢ 在选择试样皿时试样皿的形状以浅盘为好，试验时 将试样薄薄地摊在其底部，以利于传热和生成物的扩散
增重 *
*
高分子研究方法-热分析(TG、TMA、 DSC等)介绍
热分析法PPT课件
04
热分析法在材料科学中的应用
材料热稳定性的研究
热重分析（TGA）
通过测量材料在升温过程中的质 量变化，研究其热分解、氧化等 反应，评估材料的热稳定性。
差热分析（DTA）
记录材料在升温或降温过程中的 热量变化，分析材料的热效应， 判断其热稳定性。
要点二
原理
物质在加热过程中会伴随质量的变化 ，这种变化是由于物质的分解、挥发 、升华等物理或化学过程引起的。通 过测量物质质量随温度的变化，可以 得到物质的热稳定性、热分解温度、 热分解过程等信息。
要点三
应用
热重分析广泛应用于无机物、有机物 及聚合物的热分解研究，以及固体物 质的成分分析等领域。
差热分析
热机械分析（
TMA）
测量材料在温度变化过程中的形 变和应力，研究材料的热膨胀、 收缩等性能，评估其热稳定性。
材料相变过程的探究
差示扫描量热法（DSC）
测量材料在升温或降温过程中的热量变化，研究材料的熔融、结 晶、固化等相变过程。
热光分析
通过观察材料在加热过程中的光学性质变化，研究材料的相变过程 和机理。
生物医学
用于研究生物组织的热性质、生物大分子的 热稳定性以及药物的热分析。
环境科学
用于研究环境污染物的热性质、热分解以及 环境样品的热分析。
热分析法的发展历程
早期阶段
热分析法的起源可以追溯到18世纪，当时人们开始使用天平测量物质在加热过程中的质 量变化。
发展阶段
19世纪末至20世纪初，随着热力学和物理化学的发展，热分析法逐渐成为一种重要的分 析方法，出现了多种热分析方法，如差热分析（DTA）、热重分析（TGA）等。
热分析的定义与技术分类
导热性较差时，更是如此。这时所测得的TG曲线就不能确切表
征随温度变化时反应进展的客观规律。因此，在实际测试中。 在仪器灵敏度允许的范围内，一般都应采用尽可能少的试样量
来进行实验。
3、试样形状、粒度和填装情况的影响
试样的形状和颗粒度大小的不同，对气体产物扩散的 影响也不同，它改变了反应速度，进而改变了TG曲线的 形状。一般来讲，大片状试样的分解温度比颗粒状的要高， 粗颗粒的试样比细颗粒的分解温度要高。此外，某些大晶 粒试样在加热过程产生烧爆现象，致使TG曲线上出现突 然失重，这种情况应加以避免。 试样的装填情况对TG曲线也有影响。一般试样填装 越紧密，试样颗粒间接触好，热传导性越好，因而温度滞 后现象越小。但是，这不利于气氛与试样颗粒间的接触， 或者是阻碍了分解气体的扩散和逸出。因此通常把试样放 入坩埚后，轻轻地敲一敲，铺成均匀的薄层，这样可以获 得重现性较好的TG曲线。
Temperature(oC)
3、热重分析的应用
热重分析主要研究试样在空气或惰性气体中的热稳
定性、热分解作用和氧化降解等化学变化。广泛用于
研究涉及质量变化的所有物理过程，可测定物料中的
水分、挥发物和残渣，也可测定试样对某种气体的吸
附和解吸。
TG的应用：材料的成分测定、材料中挥发性物质
的测定、材料的热稳定性和热老化寿命的研究、材料
3、差热分析的应用： 用DTA对材料进行鉴别主要是根据物质的相变 （包括熔融、升华和晶型转变）和化学变化（脱水、 分解和氧化还原等）所产生的吸热或放热峰。 有些材料常具有比较复杂的DTA曲线，虽然不能 对DTA曲线上所有的峰作出解释，但它们像“指纹” 一样表征着材料的种类。 DTA应用：材料相态结构的变化、玻璃微晶化热
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高分子材料研究方法（热分析部分）复习题一、简答题（7*2分）二、论述题（8*3分）三、应用题（15分选作）一、简答题（7*2分）1.何谓热分析？请解释“程序温度”，“物质”和“某一物理性质”的含义，常用的热分析仪器。
热分析是测量在受控程序温度条件下，物质的物理性质随温度变化的函数关系的一组技术。
“程序温度”是指把温度看作是时间的函数，设计出实验所需要的温度程序。
“物质”是指试样本身和试样的反应产物，包括中间产物。
“某一物理性质”包括质量、热焓变化、温差、尺寸、机械特性、光学特性、电学特性等。
最常用的热分析方法有:差热分析(DTA)、热重分析(TG)、差示扫描量热法(DSC)、静态热机械分析(TMA)和动态热机械分析(DMA)。
2.分别写出DTA，DSC,TG,TMA,DMA的定义，方法原理及主要应用范围。
（1）差热分析DTA是在程序温度控制下，测量试样和参比物的温度差与温度的函数关系的一种技术。
我们把测量的物质称为试样，选取在测量的温度范围内，所测物理性质为热惰性的物质作为参比物，即这种物质在此温度范围内，要测定的物理性质变化小而平稳，成线性变化，不存在突变。
如果样品温度为TS，参比物温度为TR，则我们所得到的DTA曲线纵坐标为ΔT= TS - TR 。
ΔT为正表示放热反应，ΔT为负表示吸热反应。
由此可显示出与热量相伴的物理或化学变化。
使用领域1：DTA常用来测定物质的熔化、金属与合金的相变、高聚物玻璃转化的温度。
2：DTA 可以对物相进行定性分析3：可以使用DTA进行煅烧生产过程模拟。
（2）DSC法是在DTA原理的基础上发展派生而来的。
它是在程序控制温度下,测量输入到物质和参比物的功率差与温度的关系的一种技术。
（3）热重分析TG是在程序温度控制下，测量物质质量与温度关系的一种技术，简称TG。
如果在程序升温的条件下不断记录试样重量的变化，即可得到TG曲线（图1a）。
一般可以观察到二到三个台阶。
主要应用：研究热稳定性、进行高聚物的剖析与鉴定、研究高聚物裂解反应动力学和测定活化能（4）热机械分析：在程序温度控制下，对一物质施加非振荡负载，测量物质的尺寸变化(形变)、应力与温度的函数关系的技术称为热机械分析。
静态热—力法是对物质施加一定的负荷，测定其形变大小的方法。
应用1. 就一个方法的单性功能而言，TMA曲线的“指纹”性优于DTA或DSC。
2. TMA曲线测得的各种性质，如线膨胀系数（CTE）、热收缩率(ST)和收缩力(SFT)正是纤维应用时所涉及的重要性质。
3. TMA可以检测Tg和Tm等物理相变的温度。
4. 一个重要的应用是收缩动力学和收缩力现象的研究。
它是纤维TMA理论研究中的主要内容。
（5）所谓动态力学是指物质在变负载或振动力的作用下所发生的松弛行为。
DMA就是研究在程序升温条件下测定动态模量和阻尼随温度的变化一种技术。
应用：1.Tg的测定2.共混高聚物相容性的测定3.增塑对高聚物DMA曲线的影响4. DMA法研究高聚物在Tg以下的分子松弛运动5. 用DMA方法测定热固性树脂的固化过程6. 高聚物支化度的测定7.对高分子材料耐寒性或低温韧性评价8.耐热性能评价9 .研究聚合物的结晶和取向10.研究聚合物的吸音或阻尼特性3.如何在TG曲线上计算失重百分数，增重百分数？如何确定分解温度？1增重曲线 2失重曲线如图5所示。
增重百分数为如图6所示％W= ×100 %W= ×100式中：Wm——水平线上最大的重量；式中WB——损失前试样重量；W0——原始重量。
WA——损失后试样的重量如图7所示。
T1为分解开始温度，T2为分解过程中间温度；T3为分解终止温度。
除此之外，也有人把失重10%、20%或50%的温度定义为分解温度。
应该注意的是，在确定分解温度时，一定要统一标准。
只有这样，试样之间才能互相比较。
4. 影响DTA(DSC)曲线的主要因素有哪些？5. 聚合物熔融温度的定义及结晶度的计算方法。
熔融温度：聚合物的熔点不是固定的温度而是一个温度区间，严格地叫融化温度。
边熔化边升温，待全部熔化完了的温度成为聚合物熔点。
结晶高聚物的结晶温度也可以通过熔融热来确定，即其中Hf∆是指试样的结晶熔融热，Hfa∆'是指平衡熔融热。
★6. PET 卷绕丝和其冷拉4倍的丝其DSC 低温结晶峰有何不同？为什么？低温结晶峰峰值降低。
因为PET 卷绕丝的完全无定型部分经拉伸处理，变为取向无定形，取向规整度提高，使冷结晶温度降低，峰面积下降。
熔点的确定%100'⨯∆∆=ααf f o H Ha.直线与等温线的交点C是真正的熔点，或将C’所对应的温度作为熔点。
b.峰前沿最大斜线点的切线与扫描基线的交点B作为熔点。
C. 直接用峰点A作为熔点（聚合物研究中常用）★7.什么叫过冷度？它的大小表征什么？过冷度：Td=Tm-Tc每一种物质都有自己的平衡结晶温度或者称为理论结晶温度，但是，在实际结晶过程中，实际结晶温度总是低于理论结晶温度的，这种现象称为过冷现象，两者的温度差值被称为过冷度。
过冷度的大小与冷却速度密切相关，冷却速度越快，实际结晶温度就越低，过冷度就越大；反之冷却速度越慢，过冷度就越小，实际结晶温度就更接近理论结晶温度。
采用的热分析方法及吸放热方向二、论述题（8*3分）★1.如何用TG对材料的热稳定性进行评价？从失重起始温度或预定的失重百分数温度和最大失重速率温度角度进行论述，并举例说明。
DPVC稳定性较差。
第一步失重阶段是脱HCl，发生在200℃-300℃，后形成共轭双键，热稳定性提高。
TG曲线下降缓慢。
达到400℃大分子链断裂，形成二次失重。
PMMA分解温度低是因为分子链中叔碳和季碳原子的键易断裂，聚四氟PTFE中C-F键能大，热稳定性高于HPPE；由于聚酰亚胺含有大量的芳环结构，热稳定性最高。
2.如何用DSC,TMA，DMA测定高分子材料的Tg？为什么各种分析方法测出的Tg不大相同？在DSC曲线上，以转折线的延长线与基线延长线的交点作为Tg点。
用TMA法测定Tg是一种最简单的方法，一般采用压缩式温度-形变曲线。
以基线和转折性切线的交点来确定Tg（升温速度对其有影响）。
DMA可以从得到的温度和动力学参数来确定Tg值，可以用lgE转折线的中点或tanδ值得峰点来确定Tg。
3.用DSC对高分子材料的结晶行为进行研究，可采用的方式有几种？如何进行？适用范围？从实验的角度，研究结晶主要有三种方法：1.从熔体出发的等速降温法；2.从室温开始的等速升温法；3.等温结晶法。
等温结晶法又分为从熔体出发和从室温出发两种。
等温结晶法：①从熔体出发，将一试样升温至熔点以上的温度加以熔融，然后急冷至所需结晶温度，恒温记录结晶热随时间的变化。
②从室温出发，急速升温至所需结晶热，恒温记录结晶热随时间的变化。
从熔体出发的等温降速法：把带测定的试样升温至熔点以上25℃-30℃，恒温5-10分钟，使其成为熔体，然后再从熔体开始等速降温，得到结晶放热峰。
从室温开始的等速升温法：玻璃化温度以上，熔融温度以下★4. 对固化反应进行监定的热分析方法？请分别用简单的曲线和文字表述之，并比较。
（1）DSC法测定可得到固化反应的起始温度、峰值温度、终止温度和反应热以及固化后树脂的Tg。
这些数据对于树脂加工条件的确定，评价固化剂的配方（包括促进剂等）都很有意义。
还可进行固化反应动力学的研究。
（2）TMA法TMA中的温度一形变曲线测定法也能反映固化后的交联密度，并且从Tg值来评价其最佳固化条件。
从图112中可以定出Tb、Tg和Tf三个温度和曲线形变平台高度h（与应变量有关）。
从这几个数值也可评定固化温度、固化热处理时间、固化剂用量和促进剂用量等因素。
（3）DMA法测得模量变化、软化温度、硬化温度和凝胶化温度T S:软化温度T gel：凝胶化温度T h:硬化温度三、应用题★1. TG 法研究高聚物裂解反应动力学和测定活化能 反应动力学方程：)(ααkf dt d v == （1）失重率∞--=w w w w t00α阿累尼乌斯公式：k = Ae-E/RT （2）函数f(a) 取决于反应机理，如=(1-a)n ，n 为反应级数=1, 1.5, 2升温速率：dt dT =φ代入得)(/αφαf e A dT d RT E -=如果n=1, 则⎰⎰=-Kdt d αα1-ln(1-a)= Kt 代入（1）得ARTEk log 303.2log +-=斜率为 -E/R ，截距为logA写出Avrammi-Erofeer 方程，并简述如何用它对DSC 等温结晶曲线进行动力学分析。
)ex p(1n Zt C -=-对不同温度的DSC 曲线，作出1-C ——>t 的关系图，由上式可得，t Z c ln ln )]1ln(ln[+=--从ln[-ln(1-C)]~lnt 的曲线回归，可得斜率n 和截距lnZ,由此可以求出n 和Z 。
我们可选择不同的温度，得到其等温结晶曲线，分别求出其n 、Z 和k 值。
利用阿累尼乌斯公式 )/exp(RT E A k -= 从k 与 T1的关系还可以求出该物质的结晶活化能E 。
式中A 为频率因子，E 为结晶活化能。
样品规格：拉伸模式：长*宽*厚~10mm*5mm*1mm三点弯曲：50 mm*12mm*5mm(最大)图1.3 典型非晶态高聚物的DMA 温度谱.5.用DMA 方法测定热固性树脂的固化过程图3.10 Ts: 软化温度; Tgel: 凝胶化温度; Th: 硬化温度PS/PBPV Ac/PMAPV Ac-b-PMA3.43.5用DTA、DSC、TMA均可做上述分析实验。
全同立构聚苯乙烯是另一种能以非晶态及结晶态存在的高聚物，图4-31所示为在二种状态下其动态力学性能的差别[101，104]。
在100℃附近的玻璃化温度与在235℃的熔点离得很开，这是由于微晶体的交联阻止流动。
致使在玻璃化温度以上结晶聚苯乙烯的模量仍然很高，所以材料是半硬的。
只是在温度接近微晶体的熔点时，模量才有足够低的下降使成为类橡胶材料。
问题:非晶和结晶的全同立构聚苯乙烯的动态力学模量曲线有何区别，为什么？12图4-31 全同立构聚苯乙烯的动态力学性能.1．非晶的；2．结晶的。