综合热分析实验

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。

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。

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（T

m

）；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。

三．仪器和试剂

仪器：a-Al

2O

3

、STA409PC综合热分析仪

试剂：高密度聚乙烯

四、实验步骤

⒈对坩埚预先进行热处理到等于或高于需测量的最高温度

⒉在确定的程序温度下，对样品坩埚和参比坩埚进行空运行分析，得到两个空坩埚的的分析结果---形成Baseline 分析文件

⒊将高密度聚乙烯敲扁，用剪刀剪下少量样品（少于15mg ）；将样品加入样品坩埚，保证样品与样品坩埚底部接触良好。

⒋装好样品，按下综合热分析仪，调好气氛控制器，使该测试在模拟空气气氛下进行。 ⒌在Baseline 文件基础上进行样品测试，得到测试文件，扣除Baseline 文件，即得到纯样品的分析结果

⒍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，打开文件，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，对待分析曲线TG 曲线进行分析。将数据转换成图元文件 五、数据处理

100

200

300

400

500

600

温度 /℃

-7

-6

-5

-4

-3

-2

-1

DTA /(mW/mg)0

20

40

60

80

100

TG /%[1] 1.dsv

TG DTA

起始点: 404.3 ℃

终止点: 463.4 ℃

质量变化: -99.09 %

[1]

[1]

放热

分析TG 曲线，该曲线的起始分解温度为404.3℃，终止分解温度为463.4℃；404.3℃前，该物质未开始燃烧，没有失重；404.3℃-463.4℃，该物质失重先加快后减慢直至零；463.4℃后，该物质基本没有失重。

0-404.3℃，物质放热，物质处于吸热放热状态；404.3℃-425℃，物质大量放热，物质处于燃烧状态；425℃后，物质放热，但放热量逐渐减少直至与参比物相同，物质燃烧速度减慢，物质将要燃烧完成。

六、思考题

示差扫描量热分析（DSC ）的基本原理是什么？

答：将有物相变化的样品和在所测定温度范围内不发生相变且没有任何热效应产生的参比物，在相同的条件下进行等温加热或冷却，当样品发生相变时，在样品和参比物之间就产生一个温度差。放置于它们下面的一组差示热电偶即产生温差电势U ΔT ，经差热放大器放大后送入功率补偿放大器，功率补偿放大器自动调节补偿加热丝的电流，使样品和参比物之间温差趋于零，两者温度始终维持相同。此补偿热量即为样品的热效应，以电功率形式显示于记录仪上。