热重分析
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综合热分析实验
学生姓名：蓝广源
学号：20120010011
百度文库
一、实验目的
1．了解综合热分析仪的原理及仪器装置、操作方法。
2．通过实验掌握热重分析的实验技术。
3．使用综合分析仪分析高聚物的热效应和热稳定性。
二、实验原理 由于试样材料在加热或冷却过程中，会发生一些物理化学反应，同时产生热
效应和质量方面的变化，这是热分析技术的基础。 热重分析方法分为静态和动态。热重分析仪有热天平式和弹簧式两种基本类
实验室:
操作者:
样品:
20130530p10Gd, 14.770 mg
100
150
200
温度 /℃
C:\Documents and Settings\Administrator\桌面\233.dsv
材料:
校正文件:
800度空气基线（2014-1-2）.bsv
温度/灵敏度校正文件: 2011-07-13.tsv / 2011-07-13.esv
出大量的热量，此时 DSC 曲线上表现为放热峰。再进一步加热，晶体开始熔融而 需要吸收热量，其 DSC 曲线在相反方向出现吸热峰。当熔融完成后，加于试样的 热能再使试样温度升高，直到等于参比物的温度，回复到基线位置，将熔融峰顶 点对应的温度记作熔点（Tm）；继续加热试样可能发生其他变化，如氧化、分解 （氧化是放热反应，分解是吸热反应）。因此，根据 DSC 曲线可以确定高聚物的 转变和特征温度。
STA 系列综合热分析仪是具有微机数据处理系统的热重—DSC 联用热分析仪 器，是一种在程序温度（等速升降温、恒温和循环）控制下，测量物质的质量和 热量随温度变化的分析仪器。常用以测定物质在熔融、相变、分解、化合、凝固、 脱水、蒸发、升华等特定温度下发生的热量和质量变化，广泛应用于无机、有机、 石化、建材、化纤、冶金、陶瓷、制药等领域，是国防、科研、大专院校、工矿 企业等单位研究不同温度下物质物理、化学变化的重要分析仪器。DSC 分析作为 一种重要的热分析手段已广为应用，它可以研究高聚物对热敏感的各种化学及物 理过程，物理变化如：玻璃化转变、晶型转变、结晶过程、熔融、纯度变化等； 化学变化如：加聚反应、缩聚反应、硫化、环化、交联、固化、氧化、热分解、 辐射变化等。需指出，由于高聚物的物理或化学变化对热敏感的特性是很复杂的， 所以常需要结合其它实验方法如动态力学试验、气质联用等对 DSC 分析热谱图进 行深入研究，从而进一步探讨高聚物的结构和性能间的关系。
仪器由热天平主机、加热炉、冷却风扇、微机温控单元、天平放大单元、微 分单元、量热单元、接口单元、气氛控制单元、 PC 微机、打印机等组成。
刚开始加热时，试样和参比物以相同温度升温，试样没有热效应，DSC 曲线 上为平直的基线。当温度上升到试样产玻璃化转时，大分子的链段开始运动。试 样的热容发生明显的变化，由于热容增大需要吸收更多的热量，于是 DSC 曲线上 方出现一个转折，该转折对应的温度，即玻璃化转变温度（Tg）。若试样是能结 晶的并处于过冷的无定形状态，则在玻璃温度以上的适当温度进行结晶，同时放
范围:
35/10.0(K/min)/800
样品支架/热电偶:
other DTA(/TG) / S
测量 模式/类型:
DTA-TG / 样品 + 修正
250
300
段: 坩埚: 气氛: TG 校正/测量 范围: DSC 校正/测量 范围:
1/1 DTA/TG crucible Al2O3 ---/--- / ---/--- / ---/--020/30000 mg 020/5000 μV
六、思考题 1.差示扫描量热分析（DSC）的基本原理是什么？
差示扫描量热法的基本原理是当样品发生相变、玻璃化转变和化学反应时， 会吸收和释放热量，补偿器就可以测量出如何增加或减少热流才能保持样品和参 照物温度一致。差示扫描量热法（DSC）分为功率补偿式和热流式两种方式。前 者的技术思想是，通过功率补偿使试样和参比物的温度处于动态的零位平衡状态； 后者的技术思想是，要求试样和参比物的温度差与传输到试样和参比物间的热流 差成正比关系。
五、实验结果分析 1.分析TG曲线,给出该物质的起始分解温度、终止分解温度、各阶段的失重情况。
TG /% 100
95
起始点: 76.9 ℃
质量变化: -13.09 %
DTA /(mW/mg) 放热
1.5
90 1.0
85
质量变化: -14.40 %
80
0.5
[1] 233.dsv
TG
DTA
75
起始点: 221.5 ℃
型。本实验采用的是热天平动态热重分析。 当样品在热处理过程中，随温度变化有水分的排除或热分解等反应时放出气
体，则在热天平上产生失重；当试样在热处理过程中，随温度变化有二价铁氧化 成三价铁等氧化反应时，则在热天平上表现出增重。
示差扫描量热法（DSC）分为功率补偿式和热流式两种方式。前者的技术思 想是，通过功率补偿使试样和参比物的温度处于动态的零位平衡状态；后者的技 术思想是，要求试样和参比物的温度差与传输到试样和参比物间的热流差成正比 关系。本实验采用的是热流式示差扫描量热法。
根据一次微分曲线和 TG 曲线确定出质量开始变化的起点和终点，用鼠标分别 拖动该两条竖线，确定出 TG 曲线的质量变化区间，然后点击“Apply“按钮，电
脑自动算出该区间的质量变化率；如果试样材料在整个测试温度区间具有多次质 量变化区间，依次重复上述操作，直到全部计算出各个温度区间的质量变化率， 点击”OK“按钮，即完成 TG 曲线分析。 22. 完成全部分析内容后，即可打印输出，测试分析操作结束。
图 1. CuSO4·5H2O 的 TG 曲线
由图看出： CuSO4·5H2O 起始分解温度为 76.9 ℃，终止分解温度为 244.5 ℃。 失重分为两个阶段： （1）在 76.9——128.8 ℃，失重 27.49%，已知 M（CuSO4·5H2O）=249.5g/mol， 则质量损失 m=68.59g，则损失结晶水 n=m/M（H2O）=3.81≈4，CuSO4·5H2O 脱水 变成 CuSO4·H2O； （2）在 221.5——244.5 ℃，失重 6.42%，同理，损失结晶水 n=m/M（H2O）=0.89 ≈1，CuSO4·H2O 进一步脱水变成 CuSO4；
首先在确定的程序温度下，对样品坩埚和参比坩埚进行 DSC 空运行分析，得 到两个空坩埚的 DSC 的分析结果---形成 Baseline 分析文件；然后在样品坩埚中 加入适量的样品，再在 Baseline 文件的基础上进行样品测试，得到样品+坩埚的 测试文件；最后由测试文件中扣除 Baseline 文件，即得到纯粹样品的 DSC 分析 结果。
70
终止点: 128.8 ℃
0.0 质量变化: -6.42 %
终止点: 244.5 ℃
[[11]]
50
Administrator 2014-11-26 15:34 主窗口
仪器: NETZSCH STA 409 PC/PG 文件:
项目:
标识:
233
日期/时间: 2014-11-26 下午 02:53:17
三、仪器和试剂 STA409PC 综合热分析仪、a-Al2O3、CuSO4·5H2O.
四、实验操作 1. 为了保证测量精度，测量所用坩埚（包括参比坩埚）预先进行热处理到等于 或高于其最高测量温度。 2. 调整保护气体及吹扫气体输出压力及流速并待其稳定。气流参数为：氧气： 氧气：氮气=23：50：40（mL/min）。 3. 将未装样的试样坩埚和参比坩埚小心放在支架上，试样坩埚位于最外边。 4. 进入测量运行程序。选 File 菜单中的 Open 打开所需的测试基线进入编程文 件。 5. 击 Weight…进入称重窗口，待 TG 稳定后点击 Tare。 6. 称重窗口中的 Crucible Mass 栏中变为 0.000mg，并应稳定不变。否则应点 击 Repeat 后再重新点击 Tare。 7. 再点击一次 Tare，称重窗口中的 Sample Mass 栏变为 0.000mg。 8. 打开炉子，去除样品坩埚装入约 10mg 的 CuSO4·5H2O。 9. 将样品坩埚放入样品支架上，关闭炉子。 10. 称重窗口中的 Smaple Mass 栏中，将显示样品的实际质量。 11. 待质量值稳定后，按 Store 将样品质量存入。 12. 点击 OK 推出称重窗口。 13. 选择标准温度校正文件（20011113.tsu）。 14. 选择标准温度校正文件（20011113.esu）。 15. 选择或进入温度控制编程程序（即基线的升温程序）。设置升温速度为 10K/min，起始温度为 25℃，终止温度为 800℃。 16. 仪器开始测试，直至完成。 17. 仪器测试结束后打开 Tools 菜单，从下拉菜单中选择 Run analysis program 选项，进入软件界面。 18. 在分析软件界面中点击工具栏中的 Segments 按钮，打开 Segments 对话框， 去掉 Segments 对话框中的“1”、“2”复选项，点击 OK 按钮关闭对话框。 19. 点击工具栏上的“X-time/X-temperature”转换开关，使横坐标由时间转换 成温度。 20. 点击待分析曲线使之选中，然后点击工具栏上的“1st Derivative”一次微 分按钮，屏幕上出现一条待分析曲线的一次微分曲线。 21.点击工具栏上的“Mass Change“按钮，进入 TG 分析状态并在屏幕上出现两 条竖线。
学生姓名：蓝广源
学号：20120010011
百度文库
一、实验目的
1．了解综合热分析仪的原理及仪器装置、操作方法。
2．通过实验掌握热重分析的实验技术。
3．使用综合分析仪分析高聚物的热效应和热稳定性。
二、实验原理 由于试样材料在加热或冷却过程中，会发生一些物理化学反应，同时产生热
效应和质量方面的变化，这是热分析技术的基础。 热重分析方法分为静态和动态。热重分析仪有热天平式和弹簧式两种基本类
实验室:
操作者:
样品:
20130530p10Gd, 14.770 mg
100
150
200
温度 /℃
C:\Documents and Settings\Administrator\桌面\233.dsv
材料:
校正文件:
800度空气基线（2014-1-2）.bsv
温度/灵敏度校正文件: 2011-07-13.tsv / 2011-07-13.esv
出大量的热量，此时 DSC 曲线上表现为放热峰。再进一步加热，晶体开始熔融而 需要吸收热量，其 DSC 曲线在相反方向出现吸热峰。当熔融完成后，加于试样的 热能再使试样温度升高，直到等于参比物的温度，回复到基线位置，将熔融峰顶 点对应的温度记作熔点（Tm）；继续加热试样可能发生其他变化，如氧化、分解 （氧化是放热反应，分解是吸热反应）。因此，根据 DSC 曲线可以确定高聚物的 转变和特征温度。
STA 系列综合热分析仪是具有微机数据处理系统的热重—DSC 联用热分析仪 器，是一种在程序温度（等速升降温、恒温和循环）控制下，测量物质的质量和 热量随温度变化的分析仪器。常用以测定物质在熔融、相变、分解、化合、凝固、 脱水、蒸发、升华等特定温度下发生的热量和质量变化，广泛应用于无机、有机、 石化、建材、化纤、冶金、陶瓷、制药等领域，是国防、科研、大专院校、工矿 企业等单位研究不同温度下物质物理、化学变化的重要分析仪器。DSC 分析作为 一种重要的热分析手段已广为应用，它可以研究高聚物对热敏感的各种化学及物 理过程，物理变化如：玻璃化转变、晶型转变、结晶过程、熔融、纯度变化等； 化学变化如：加聚反应、缩聚反应、硫化、环化、交联、固化、氧化、热分解、 辐射变化等。需指出，由于高聚物的物理或化学变化对热敏感的特性是很复杂的， 所以常需要结合其它实验方法如动态力学试验、气质联用等对 DSC 分析热谱图进 行深入研究，从而进一步探讨高聚物的结构和性能间的关系。
仪器由热天平主机、加热炉、冷却风扇、微机温控单元、天平放大单元、微 分单元、量热单元、接口单元、气氛控制单元、 PC 微机、打印机等组成。
刚开始加热时，试样和参比物以相同温度升温，试样没有热效应，DSC 曲线 上为平直的基线。当温度上升到试样产玻璃化转时，大分子的链段开始运动。试 样的热容发生明显的变化，由于热容增大需要吸收更多的热量，于是 DSC 曲线上 方出现一个转折，该转折对应的温度，即玻璃化转变温度（Tg）。若试样是能结 晶的并处于过冷的无定形状态，则在玻璃温度以上的适当温度进行结晶，同时放
范围:
35/10.0(K/min)/800
样品支架/热电偶:
other DTA(/TG) / S
测量 模式/类型:
DTA-TG / 样品 + 修正
250
300
段: 坩埚: 气氛: TG 校正/测量 范围: DSC 校正/测量 范围:
1/1 DTA/TG crucible Al2O3 ---/--- / ---/--- / ---/--020/30000 mg 020/5000 μV
六、思考题 1.差示扫描量热分析（DSC）的基本原理是什么？
差示扫描量热法的基本原理是当样品发生相变、玻璃化转变和化学反应时， 会吸收和释放热量，补偿器就可以测量出如何增加或减少热流才能保持样品和参 照物温度一致。差示扫描量热法（DSC）分为功率补偿式和热流式两种方式。前 者的技术思想是，通过功率补偿使试样和参比物的温度处于动态的零位平衡状态； 后者的技术思想是，要求试样和参比物的温度差与传输到试样和参比物间的热流 差成正比关系。
五、实验结果分析 1.分析TG曲线,给出该物质的起始分解温度、终止分解温度、各阶段的失重情况。
TG /% 100
95
起始点: 76.9 ℃
质量变化: -13.09 %
DTA /(mW/mg) 放热
1.5
90 1.0
85
质量变化: -14.40 %
80
0.5
[1] 233.dsv
TG
DTA
75
起始点: 221.5 ℃
型。本实验采用的是热天平动态热重分析。 当样品在热处理过程中，随温度变化有水分的排除或热分解等反应时放出气
体，则在热天平上产生失重；当试样在热处理过程中，随温度变化有二价铁氧化 成三价铁等氧化反应时，则在热天平上表现出增重。
示差扫描量热法（DSC）分为功率补偿式和热流式两种方式。前者的技术思 想是，通过功率补偿使试样和参比物的温度处于动态的零位平衡状态；后者的技 术思想是，要求试样和参比物的温度差与传输到试样和参比物间的热流差成正比 关系。本实验采用的是热流式示差扫描量热法。
根据一次微分曲线和 TG 曲线确定出质量开始变化的起点和终点，用鼠标分别 拖动该两条竖线，确定出 TG 曲线的质量变化区间，然后点击“Apply“按钮，电
脑自动算出该区间的质量变化率；如果试样材料在整个测试温度区间具有多次质 量变化区间，依次重复上述操作，直到全部计算出各个温度区间的质量变化率， 点击”OK“按钮，即完成 TG 曲线分析。 22. 完成全部分析内容后，即可打印输出，测试分析操作结束。
图 1. CuSO4·5H2O 的 TG 曲线
由图看出： CuSO4·5H2O 起始分解温度为 76.9 ℃，终止分解温度为 244.5 ℃。 失重分为两个阶段： （1）在 76.9——128.8 ℃，失重 27.49%，已知 M（CuSO4·5H2O）=249.5g/mol， 则质量损失 m=68.59g，则损失结晶水 n=m/M（H2O）=3.81≈4，CuSO4·5H2O 脱水 变成 CuSO4·H2O； （2）在 221.5——244.5 ℃，失重 6.42%，同理，损失结晶水 n=m/M（H2O）=0.89 ≈1，CuSO4·H2O 进一步脱水变成 CuSO4；
首先在确定的程序温度下，对样品坩埚和参比坩埚进行 DSC 空运行分析，得 到两个空坩埚的 DSC 的分析结果---形成 Baseline 分析文件；然后在样品坩埚中 加入适量的样品，再在 Baseline 文件的基础上进行样品测试，得到样品+坩埚的 测试文件；最后由测试文件中扣除 Baseline 文件，即得到纯粹样品的 DSC 分析 结果。
70
终止点: 128.8 ℃
0.0 质量变化: -6.42 %
终止点: 244.5 ℃
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Administrator 2014-11-26 15:34 主窗口
仪器: NETZSCH STA 409 PC/PG 文件:
项目:
标识:
233
日期/时间: 2014-11-26 下午 02:53:17
三、仪器和试剂 STA409PC 综合热分析仪、a-Al2O3、CuSO4·5H2O.
四、实验操作 1. 为了保证测量精度，测量所用坩埚（包括参比坩埚）预先进行热处理到等于 或高于其最高测量温度。 2. 调整保护气体及吹扫气体输出压力及流速并待其稳定。气流参数为：氧气： 氧气：氮气=23：50：40（mL/min）。 3. 将未装样的试样坩埚和参比坩埚小心放在支架上，试样坩埚位于最外边。 4. 进入测量运行程序。选 File 菜单中的 Open 打开所需的测试基线进入编程文 件。 5. 击 Weight…进入称重窗口，待 TG 稳定后点击 Tare。 6. 称重窗口中的 Crucible Mass 栏中变为 0.000mg，并应稳定不变。否则应点 击 Repeat 后再重新点击 Tare。 7. 再点击一次 Tare，称重窗口中的 Sample Mass 栏变为 0.000mg。 8. 打开炉子，去除样品坩埚装入约 10mg 的 CuSO4·5H2O。 9. 将样品坩埚放入样品支架上，关闭炉子。 10. 称重窗口中的 Smaple Mass 栏中，将显示样品的实际质量。 11. 待质量值稳定后，按 Store 将样品质量存入。 12. 点击 OK 推出称重窗口。 13. 选择标准温度校正文件（20011113.tsu）。 14. 选择标准温度校正文件（20011113.esu）。 15. 选择或进入温度控制编程程序（即基线的升温程序）。设置升温速度为 10K/min，起始温度为 25℃，终止温度为 800℃。 16. 仪器开始测试，直至完成。 17. 仪器测试结束后打开 Tools 菜单，从下拉菜单中选择 Run analysis program 选项，进入软件界面。 18. 在分析软件界面中点击工具栏中的 Segments 按钮，打开 Segments 对话框， 去掉 Segments 对话框中的“1”、“2”复选项，点击 OK 按钮关闭对话框。 19. 点击工具栏上的“X-time/X-temperature”转换开关，使横坐标由时间转换 成温度。 20. 点击待分析曲线使之选中，然后点击工具栏上的“1st Derivative”一次微 分按钮，屏幕上出现一条待分析曲线的一次微分曲线。 21.点击工具栏上的“Mass Change“按钮，进入 TG 分析状态并在屏幕上出现两 条竖线。