热分析实验

材料的综合热分析实验

一、实验目的

1、掌握两种常用的热分析方法─差热分析法和热重法的基本原理和分析方法，

2、差热分析和热重分析仪器的基本结构和基本操作。

二、差热分析和热重法的基本原理

1、差热分析法（Differential Thermal Analysis，DTA）

差热分析是在程序控温下测量样品和参比物的温度差与温度（或时间）相互关系的一种技术。物质在加热或冷却过程中会发生物理或化学变化，同时产生放热或吸热的热效应，从而导致样品温度发生变化。因此差热分析是一种通过热焓变化测量来了解物质相关性质的技术。

样品和热惰性的参比物分别放在加热炉中的两个坩埚中，以某一恒定的速率加热时，样品和参比物的温度线性升高；如样品没有产生焓变，则样品与参比物的温度是一致的（假设没有温度滞后），即样品与参比物的温差∆T=0；如样品发生吸热变化，样品将从外部环境吸收热量，该过程不可能瞬间完成，样品温度偏离线性升温线，向低温方向移动，样品与参比物的温差∆T<0；反之，如样品发生放热变化，由于热量不可能从样品瞬间逸出，样品温度偏离线性升温线，向高温方向变化，温差∆T>0。上述温差∆T（称为DTA信号）经检测和放大以峰形曲线记录下来。经过一个传热过程，样品才会回复到与参比物相同的温度。

在差热分析时，样品和参比物的温度分别是通过热电偶测量的，将两支相同的热电偶同极串联构成差热电偶测定温度差。当样品和参比物温差∆T=0，两支热电偶热电势大小相同，方向相反，差热电偶记录的信号为水平线；当温差∆T≠0，差热电偶的电势信号经放大和A/D转换，被记录为峰形曲线，通常峰向上为放热，峰向下为吸热。

差热曲线直接提供的信息主要有峰的位置、峰的形状和个数、峰的面积，通过它们可以对物质进行定性和定量分析，并研究变化过程的动力学。峰的位置是由导致热效应变化的温度和热效应种类（吸热或放热）决定的，前者体现在峰的起始温度上，后者体现在峰的方向上。不同物质的热性质是不同的，相应的差热曲线上的峰位置、峰个数和形状也不一样，这是差热分析进行定性分析的依据。分析DTA曲线时通常需要知道样品发生热效应的起始温度，根据国际热分析协会（ICTA）的规定，该起始温度应为峰前缘斜率最大处的切线与外推基线的交线所对应的温度T(如图2)，该温度与其它方法测得的热效应起始温度较一致。DTA峰的峰温Tp虽然比较容易测定，但它既不反映变化速率到达最大值时的温度，也与放热或吸热结束时的温度无关，其物理意义并不明确。此外，峰的面积与焓变有关。

图1典型DTA曲线

2、热重法（Thermogravimetry,TG）

热重法是在程序控制借助热天平以获得样品的质量与温度关系的一种技术。图3为岛津TGA-50热重分析仪的测量原理图。通常盛放了样品的坩埚被悬挂在热天平的一端，并放置在加热炉中。加热样品，当样品重量发生变化，天平横梁发生倾斜，反映样品重量变化信息的倾斜度被转换为光电信号并放大和记录下来。

在TG曲线中，如果反应前后均为水平线，表示反应过程中样品重量不变；若曲线发生偏转，则相邻两水平线段之间在纵坐标上的距离所代表的相应重量W即为该步反应的重量差(如图4)。

图2典型的TG和DTG曲线

如将TG曲线对温度或时间取一阶导数，即把质量变化的速率作为温度或时间的函数被连续记录下来，这种方法称为微商热重法（Derivative Thermogravimetry，DTG）。微商热重曲线上出现的每个峰对应TG曲线上每个相应的重量变化阶段。它反映了样品质量的变化率与温度或时间的关系，其形状与DTA曲线类似，可以确定样品失重过程的特征点如反应起始、终止温度等，是对TG和DTA 曲线的补充。

四、仪器与试剂

1、日本岛津公司，TGA-60AH热分析仪，TA-60WS工作站。

2、待测样品

3、氧化铝坩埚1只，镊子，小勺

五、实验步骤

1、打开气体钢瓶（保护气体通常为高纯氮，也可根据实验要求选择气体种类）。

2、依次打开专用变压器开关，TGA-50开关，工作站开关。

3、将仪器左侧流量控制钮旋至25ml/min。

4、按TGA-50控制面板键，炉子下降，将样品检测支持器右皿，按键升起炉子，待天平稳定后，调

节控制面板上平衡钮及归零键，仪器自动扣除坩埚自重。

5、电脑屏幕上进入TA-60WS COLLECT界面，点及TGA-60，进入Measure，进行实验参数设定，

输入升温速率，终止温度等等，进入PID Parameters，确定P：100；I：100；D：100；进入Sampling Parameters，确定Sampling Time：1.0；进入File Information，依次输入测量序号，样品名称，重量（点击Read Weight，电脑会直接显示出样品重量），分子量，坩埚名称，气氛，气体流速，操作者姓名，回到Measure，点击Sart，测量开始，炉内开始加热升温，记录开始。当试样达到预设的终止温度时，测量自动停止。等炉温降下来后再关机，关气瓶。（为保护仪器，注意炉温在500C以上不得关闭TGA-50主机电源）

6、进入分析界面（Analysis），进入分析界面（Analysis），打开所做测量文件，根据实验目的，选

择感兴趣的分析项目如Tangent（切线），Peak（峰），Peak Height（峰高），Heat（峰面积）等等进行分析。最后数据存盘，打印差热曲线图。。

六、结果分析

1、对差热曲线进行讨论，要求理解各分析数据，说明每一步热效应产生的原因并写出实验报告。

2、根据热重曲线的各项分析数据，求解出热分解的过程和各反应阶段的产物组成，了解该物质热稳

定性。就基本原理和实验，进行讨论并写出实验报告。

五、思考题

1．影响DTA/TG曲线准确度的因素有哪些？

2．差热分析鉴定材料的原理？