材料化学导论第三章 材料结构的表征

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2.材料中挥发性物质的测定
在材料尤其是塑料加工过程中溢出的挥发性物质， 即使极少量的水分、单体或溶剂都会产生小的气泡， 从而使产品的外观和性能受到影响。热重法能有效地 检测出在加工前塑料所含有的挥发性物质的总量。
如：聚氯乙烯(PVC)中增塑剂邻苯二辛酯(DOP)的 测定。如图所示：
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在测定聚氯乙烯中增
过程，失重约67%，最后剩下惰性无机填料约为3.5%。
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3.材料的热稳定性和热老化寿命的测定
在材料使用中，无论是无机物还是有机物，热 稳定性是主要指标之一。虽然研究材料的热稳定性 和热老化寿命的方法有许多种，但是惟有热重法因 其快速而简便，因此使用最为广泛。
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例：利用热重法研究化纤助剂的寿命时，根据化纤 生产工艺条件，先测定化纤助剂在215℃和236℃的 恒温失重，测得失重10%所需时间分别为282.4min 和64min,再根据下列热老化寿命经验公式：
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随后根据压力信号的变化，自动气体转换开关会
立即与空气气流接通，此时因聚苯醚分解产生的短链
碳化合物立即氧化成CO2，在TG曲线中出现第二个失重 台阶，对应的失重量约为29.50%。
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最后在712.4℃以上温度获得以稳定的平台，说 明剩余的残渣为惰性的无机填料或灰分，其质量含 量约为5.44%。因此由热重法测定获得的分析结果为： 聚苯醚65.31%，含碳量29.50%，残渣含量5.44%。
分析、结构测定、形貌观察。
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第一节 热分析技术ຫໍສະໝຸດ Baidu
热分析：在程序控制温度条件下，测量材料物 理性质与温度之间关系的一种技术。从宏观性能的 测试来判断材料结构的方法。
程序控制温度：指用固定的速率加热或冷却。
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热分析技术被广泛用于固态科学中，凡是与热 现象有关的任何物理和化学变化都可以采取热分析 方法进行研究。如材料的固相转变、熔融、分解甚 至材料的制备等。同时，这些变化还能被定量的描 绘，可以直接测量出这些变化过程中所吸收或放出 的能量，如熔融热、结晶热、反应热、分解热、吸 附或解吸热、比热容、活化能、转变熵、固态转变 能等。
们表征了试样在不同的温度范围内发生的挥发性组
分的挥发以及发生的分解产物的挥发，从而可以得
到试样的组成、热稳定性、热分解温度、热分解产
物和热分解动力学等有关数据。
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同时还可获得试样的质量变化率与温度关系曲线， 即微分热重曲线(DTG曲线)，它是TG曲线对温度的一阶
导数。以物质的质量变化速率dm/dt对温度T作图，所
塑剂含量的过程中，先以
每分钟160℃的升温速度
加热，达到200℃后等温
4nim，这4nim足以使98%
增塑剂扩散到样品表面而
挥发掉。这一阶段主要是
增塑剂的失重过程，失重
约29%。然后用每分钟80℃的升温速度加热，并且在
200℃以后通过气体转换阀将氮气流转化为氧气，以
保证有机物完全燃烧。该阶段主要是聚氯乙烯的失重
第三章
材料结构的表征
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材料的设计、制备和表征是材料研究的三个组
成部分，材料设计的重要依据来源于材料的结构分
析。材料制备的实际效果必须通过材料结构分析的
检验。因此可以说，材料科学的进展极大的依赖于
对材料结构分析表征的水平。
材料结构表征的主要手段：
热分析技术
显微技术
X射线衍射技术
波谱技术
材料结构的表征就其任务来说主要有三个：成分
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进行热重分析的基本仪器为热天平，它包括天 平、炉子、程序控温系统、记录系统等几个部分。
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由热重法记录的质量变化对温度的关系曲线称 为热重曲线(TG曲线)。TG曲线以质量为纵坐标， 从 上到下表示减少，以温度或时间作横坐标，从左自 右增加。如图。
1—热重曲线
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2—微分热重曲线 7
热重曲线显示了试样的绝对质量(W)随温度的 恒定升高而发生的一系列变化，如图中从质量W0到 W1，从W1到W2，从W2到0是三个明显的失重阶段， 它
热重法测定材料成分是极为方便的，通过热重 曲线可以把材料尤其是高聚物的含量、含碳量和灰 分测定出来。
例如测定添加无机填料的聚苯醚的成分时，试样 先在氮气流中加热，达到聚苯醚的分解温度后，聚苯 醚样品开始分解。在TG曲线的455.7-522.7℃温度范 围内，出现一个失重台阶。该台阶对应着聚苯醚的分 解失重量为65.31%。
α-Al2O3、石英、硅油等。
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进行差热分析的仪器为差热分析仪，由加热炉、 试样容器、热电偶、温度控制系统及放大、记录系统 等部分组成。
1. 加热炉，
2. 试样，
3. 参比物，
4. 测温热电偶，
5. 温差热电偶，
6. 测温元件，
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7. 温控元件。
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由差热分析仪记录的∆T随温度变化的关系曲线称 为差热分析曲线，下图为典型的DTA曲线。其横坐标为 温度，纵坐标为温差△T/K，当试样发生任何物理或化 学变化时，所释放或吸收的热量使样品温度高于或低于 参比物的温度，从而在相应的差热曲线上得到放热或吸 热峰。吸热峰向下，放热峰向上。
得的曲线。
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DTG曲线的峰顶即失重速率的最大值，它与TG曲
线的拐点相对应，即样品失重在TG曲线形成的每一个
拐点，在DTG曲线上都有对应的峰。并且DTG曲线上的
峰数目和TG曲线的台阶数目相等。由于DTG曲线上的
峰面积与样品的失重成正比，因此可以从DTG的峰面
积计算出样品的失重量。 .
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应用： 1.材料成分测定
Inτ=a×1/T+b τ-寿命 T-材料的使用温度
计算出a和b值，即得到化纤助剂的寿命公式：
Inτ=7.624×103×1/T-13.172 通过该公式可求出其它温.度下的失重10%的寿命值 17
二、差热分析（DTA） 在程序控制温度下测定物质和参比物之间的温
度差和温度关系的一种热分析技术。
参比物： 在测定条件下不产生任何热效应的惰性物质。如
热分析技术中，热重法(TG)、差热分析（DTA） 和差示扫描量热法（DSC）应用的最为广泛。
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一、热重法(TG) 在程序控制温度条件下，测量物质的质量与温
度关系的一种热分析方法。
热重法通常有下列两种类型：
等温热重法—在恒温下测量物质质量变化与时间的 关系
非等温热重法—在程序升温下测量物质质量变化与 温度的关系
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差热分析曲线反映了所测试样在不同的温度范 围内发生的一系列伴随热现象的物理或化学变化。 凡是有热量变化的物理和化学现象多可以借助于差 热分析的方法来进行精确的分析，并能定量地加以 描绘。