热分析应用

武汉理工大学

热分析技术应用综述

课程名称：材料热分析技术

学院：材料学院

班级：建材院委培生

学号：

姓名：吴帅

摘要对热分析技术进行了介绍,并综述了近年来热分析技术在工业方面、食品分析、高分子及复合材料检测等领域的应用情况。

关键词热分析技术；工业方面；食品分析；高分子及复合材料检测

1 热分析技术概述

热分析技术作为一种科学的实验方法，在无机、有机、化工、冶金、医药、食品、塑料、橡胶、能源、建筑、生物及空间技术等领域被广泛应用。它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。国际热分析协会(ICTA)对热分析技术作了如下定义：热分析是在程序温度控制下，测量物质的物理性质与温度之间关系的一类技术。这里所说的“程序控制温度”一般指线性升温或线性降温，也包括恒温、循环或非线性升温、降温。这里的“物质”指试样本身和(或)试样的反应产物，包括中间产物。上述物理性质主要包括质量、温度、能量、尺寸、力学、声、光、热、电等。根据物理性质的不同，建立了相对应的热分析技术，ICTA 命名委员会对热分析技术进行了分类，具体见表1-1。

表1-1 热分析技术分类

热分析技术的优点主要有下列几方面：(1)可在宽广的温度范围内对样品进行研究：(2)可使用各种温度程序(不同的升降温速率)；(3)对样品的物理状态无特

殊要求；(4)所需样品量可以很少(0.1μg～10mg)；(5)仪器灵敏度高(质量变化的精确度达10-5)；(6)可与其他技术联用；(7)可获取多种信息。

2 热分析技术在工业领域的应用

2.1 热分析在炸药研制过程中的应用

炸药是一种相对稳定的平衡体系，在一定外界条件作用下能够发生高速化学反应，释放出巨大的热能，产生大量的气体，其整个反应是一个复杂的、伴随着吸热和放热过程的物理化学变化。热分析是测量炸药物性参数对温度依赖性的有关技术的总称。在炸药热分析中，除了测定其在热作用下的热行为外，更重要的是利用热分析方法来对其反应动力学进行研究，并根据动力学参数以及炸药在各种温度下的热行为，探讨和确定炸药在研制、生产和使用中的最佳条件(工艺条件和环境条件)，以为确保这些过程的安全性、可靠性提供重要的实验和理论依据。因此，炸药的热分析在炸药研制过程中具有重要的意义和关键性的作用。

2.2 热分析在遥感卫星设计上的应用

作为卫星热设计的重要步骤，热分析主要用于检验热设计是否将卫星温度控制在所要求的范围内。卫星热分析主要包括热网络模型建立、外热流计算、温度场分析和热分析模型修正等内容。选取合理的建模方法，通过简化，精确地反映卫星各部件与环境的热交换是热分析建模的基本原则。近年来，我国的卫星热分析技术取得了快速进展，其主要标志是：配备并完善了热分析软件；热分析计算贯穿热设计的全过程[1]。卫星热分析与热试验温度偏差一般可控制在5～10 ℃，已基本满足卫星工程设计的需求。目前，进一步提高热分析模型精度的主要方法是利用热平衡试验数据进行热分析模型修正[2]。实践表明：由于热分析模型针对的飞行状态与热平衡试验状态并不一致，直接利用热试验结果修正热模型往往无法获得预期效果。因此，有必要分析卫星热平衡试验与在热分析结果存在差异的主要原因，并寻求合适的途径以实现热模型的有效修正。

2.3 热分析在铸造领域的应用

热分析方法开始应用于铸造领域时用于分析铸铁的化学成分[3]。但是现在已经广泛应用于工业界的是利用其来分析铝合金的晶粒细化和Al-Si合金中的Si 变质程度[4]。热分析方法还是常用于评价铁合金、铝合金等的凝固过程及凝固过

程中其它热力学特征等。

2.4 热分析在油品分析上的应用

目前较为普遍的三类油品：变压器油、内燃机油、导热油。氧化安定性做为润滑油氧化性能好坏和使用寿命长短的评定指标，在日常的应用及研究中有着广泛的应用。如变压器油、内燃机油及一些特种军用油，都规定了氧化安定性的指标。采用DSC法测定氧化安定性具有越来越广泛的推广。导热油做为一种热传导用润滑油，主要是进行热量传递和交换，其中的关键指标就是导热油的最高使用温度，因为最高使用温度不仅是安全的指标也是选择导热油的经济性指标。通过DSC测定导热油的热裂解的温度来间接表示导热油的使用温度，如KD300导热油的热裂解温度应在350 ℃以上，该项目已列入导热油的企业标准中。

3 热分析技术在食品分析中的应用

食品加工过程中，热是最普遍的加工参数，不论是食品的热杀菌、烹调、食品的各种干燥方法还是冷冻保藏都会涉及到热。当食品与热之间相互作用时会使食品发生一系列的变化，如相变(水和冰)、蛋白质构象发生(有序到无序变化)、质量或组成变化，食品流变性质的变化等等。大多数物质随着温度的变化，热容将变化，结构也将变化，在这些变化时将会伴随着有能量的变化，因此可以用热分析技术对其进行研究。如：可可脂的口溶问题研究，猪脂肪中异种脂肪的检测，奶油中混入人造奶油的检测，腊肠和火腿中肉的判别等。食品的热分析方法主要有以下几方面：

3.1 差示扫描量热法(DSC)在食品分析中的应用

食品蛋白质的变性过程，可以看作是温度的动态函数。广泛应用于蛋白质变性研究的方法是差示扫描量热法(DSC)。热是食品加工中最常用的加工参数，蛋白质的热变性是食品中最常见的变性形式，也是对蛋白质稳定性影响最大的一个因素。蛋白质在热变性过程中，吸收热量时由一个有序状态变为无序状态，分子内相互作用被破坏，多肽链展开。当达到蛋白质的变性温度时，在热分析图谱上会出现一个吸热峰，根据吸热峰的起始温度、峰面积可以确定蛋白质的变性温度、变性热等参数。利用这些参数可以了解蛋白质的稳定性，以及变性动力学等。这是利用热分析法研究蛋白质的基本依据[5]。DSC已经成为研究食品蛋白质强有力

的手段，在动物肌肉蛋白质、植物蛋白质、禽类蛋白质、乳类蛋白质等食品蛋白质的研究中得到了广泛的应用。许多学者运用DSC技术来确定食品蛋白质的组成成分，研究蛋白质的变性动力学，并根据变性动力学确定食品加工工艺，取得了显著的研究成果。

3.2 热重(TG)在食品研究中的应用

TG在食品研究中也有广泛应用[6]，经常被用于研究食品及其组分的热稳定性。近来有研究者用TG研究面团中水分的分布、存在形式及其与其它组分的相互作用，根据TG曲线可以了解干燥温度和时间对面条品质的影响[7]。通过对热分析数据的统计分析，可以求解热变化过程的动力学三因子：反应机理函数、活化能和指前因子。因此，热分析技术还有另一个重要应用领域，即研究热变化的动力学过程，如淀粉糊化动力学、热分解动力学等。Santos等采用热重分析法研究8种食用油的热分解活化能，并根据热分解遵循简单级数模型求解食用油3个热分解过程的反应级数以及指前因子，发现脂肪酸构成和添加抗氧化剂对动力学参数有影响。Gouveia等采用热重分析法研究葵花籽油的热分解动力学，也发现添加抗氧化剂对动力学参数有影响，并指出热重分析可用于研究油炸过程对食用油的影响[8]。此外，Kasprzycka-Guttman等研究了花生油受热氧化的分解动力学[9]。

4 热分析技术在高分子及复合材料检测中的应用

近年来，高分子及复合材料发展迅速，其种类越来越多，产品形式越来越丰富，应用领域也越来越广泛。对这些材料准确地进行定性定量分析，具有十分重要的实际意义。

4.1 差示扫描量热法(DSC)鉴定不同类型的PP管材

当前市场上出现的PP管材类型较多，主要有：丙烯与少量乙烯(1.5%-7%)的无规共聚物(PP-R)管材[10]、丙烯与少量乙烯(7% ～15%)的嵌段共聚物(PP-B)管材以及由聚丙烯(PP-H)与少量聚乙烯(PE)的共混物制备的管材。PP-H的长期耐高温性能远高于PP-R和PP-B，因此在一些要求高温的工业领域运用的较多，而PP-B在低温性能方面比PP-R和PP-H更好，因此一般应用在冷水领域，PP-R性能相对来说介于两者之间，一般应用于中低温水领域。另外，PP-R的最大优点