热分析技术89623
热分析技术概述及其在煤化学中的应用
热分析技术概述及其在煤化学中的应用1.1 热分析技术简介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。
1.2 常用的热分析技术目前常用的热分析技术主要有TG、DTA 、DSC、TMA、DMA。
热重分析法（TG）是在温度程序控制下测量物质质量与温度之间关系的技术。
由TG 得到了TG 曲线(热重曲线)是物质质量与温度关系的曲线。
它可以用来测定高分子材料中所含水份、聚合物、填充剂和灰份等组成比例、聚合物的氧化诱导期、物质的脱水温度、分解温度和金属有机物的降解等。
热天平按温度范围不同有低温型、标准型、中温型、高温型和超高温型等。
按压力不同有常压型、高压型和真空型等。
按试样重量不同有大容量型、常量型和微量型等。
差热分析法（DTA）是在温度程序控制下测量物的温度T 和参比物的温度T 的温度差△T 和温度T 或时间关系的技术。
用以研究物质在什么温度下发生相变，如熔融、结品、蒸发、脱水、氧化、还原或降解等，以及相变时所产生的热效应大小，它是研究物理化学方法的一种重要手段。
差示扫描量热法（DSC）是测量输人到试样和参比物质的热流量差或功率差与温度T 关系的一种技术，具体描述为：DSC 是在一定气氛和程序温度下，测量输人给试样和参比物的热流量差或功率差，保持两者间的最小温差。
热分析技术
然实际过程是不存在的，试样的热分解反应不可能在某一 温度下同时发生和完成，而是有一个过程。在曲线上表现 为曲线的过渡和斜坡，甚至两次失重之间有重叠区。
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微商热重曲线（DTG）：质量变化速率与温度或时间的关系曲线。
m = f(T)
是使用最多、最广泛的热分析技术。 类型： 两种 ✓ 等温（或静态）热重法：恒温 ✓ 非等温（或动态）热重法：程序升温
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2.1 基本原理
➢ 在加热过程中，如果试样无质量变化，热天平将 保持初始平衡状态；
➢ 一旦样品发生质量改变，天平就失去平衡，并立 即由传感器检测并输出天平失衡信号；
➢ 热重测量中的升温速率不宜太快，一般以0.56℃/min为宜。
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(2) 气氛的影响
➢ 热重法通常可在静态气氛或动态气氛下进行测 定。
➢ 在静态气氛下，如果测定的是一个可逆的分解 反应，随着温度的升高，分解速率增大。但由 于试样周围气体浓度增加会使分解速率下降。 另外炉内气体的对流可造成样品周围的气体浓 度不断变化。这些因素会严重影响实验结果， 所以通常不采用静态气氛。为了获得重复性好 的实验结果，一般在严格控制的条件下采用动 态气氛。
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例：含有一个结晶水的草酸钙的TG曲线和DTG曲 线
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✓CaC2O4·H2O→CaC2O4+H2O （100-200℃，失重量12.5% ）
✓CaC2O4→CaCO3+CO （400-500℃，失重量18.5%）
热分析技术 (Thermal Analysis)ppt课件
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wii(Tg - Tg i) = 0
两组分体系
w11(Tg - Tg1) + w22(Tg - Tg2) = 0
Tg (w11 + w22)= w11Tg1 + w22Tg2
T gw 1w 1 T 1g1 1 w w 2 22 2 T g2w 1 T w g1 1 K K2 2 T w w g2
体积收缩过程是一级过程： 即排出速率与待排出自由体积分数成正比：
ddVt1Vt V1
Vt-V1
V0、V1分为T0、T1下的平衡体积
1 为速率常数
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V0 T0 Vt V1 T1
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ddVt1Vt V1
dVVt V1
dt
dV dt
Vt V1
lnV(t
V)Vt V1 1 V0V1
t
t 0
其数学表达式为：P = f (T)，式中P为物质的一种物理量， T是物质的温度。所谓程序控制温度就是把温度看作时间的函 数：T = φ (t), 其中 t 是时间，则 P = f (T or t)。
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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，可使用相应的热分 析技术，例如：
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Tg, c = 164 K (-109C)
Tg, t = 179 K (-94C) K1 = 0.75
Tg, v = 257 K (-16C)
K2 = 0.50
T g(B) R 16 w c w 4 1 c 0 7 .0 7 .7 w 9 t5 w 5 t0 .5 2 w v 0 5 0 .5 7 w v
热分析技术
热分析技术热分析技术是一种利用热量特性来表征材料性能特点的重要技术。
它能提供有关材料结构、分子种类和行为的信息，以及材料的热力学性能、稳定性和安全性的研究和分析。
本文将就热分析技术的概念、原理、类型、应用及未来发展方向等五个方面进行综述。
首先，热分析技术的概念是指使用物理和化学的方法，分析和测量材料在受到热能、压力、电压等外力时所产生的变化。
热分析技术包括热重分析、气体汽液平衡分析、热隙分析、热膨胀分析、热流比分析、热封技术等。
其次，热分析技术的原理是为了测量材料在受到外力作用时所产生的变化，利用一定的测量方法和仪器，来检测材料的物性变化。
在实验中，研究者需要控制实验温度，使材料处于固定的温度条件，然后改变外力达到实验目的。
最后，根据实验结果，分析材料的性能变化，以检测材料的物性变化。
热分析技术目前有很多种类，包括热重分析、气液平衡分析、热隙分析、热膨胀分析、热流比分析、热封技术等。
热重分析是利用重量变化来表征材料的性质。
气液平衡分析是在恒定的温度和压力条件下，检测材料的溶解性及熔融性。
热隙分析是利用热峰值及其温差来表征材料特性。
热膨胀分析是通过观察材料随温度变化的形变来研究材料的抗拉强度及硬度。
热流比分析是用热流值来表征材料的导热性能。
热封技术是用来表征材料的密封性能。
热分析技术现已广泛应用于科研领域，如分子楔形分析、纳米技术、聚合物材料、生物材料、电子材料等。
在材料工程领域，热分析技术可以用来提高材料的性能，减少制造成本，提高工艺质量。
在医药领域，热分析技术可以帮助研究者快速识别新药的稳定性和安全性，有效降低研发新药的成本。
在食品技术领域，热分析技术可以帮助研究者检测食品的健康安全性，以把控食品质量。
热分析技术的发展潜力巨大，未来可能会成为一种新的研究工具，应用范围可能会扩展至无机材料、能源材料、金属材料以及复杂分子结构等新材料之中，还有可能会开发出更多新型分析仪器，以提供更快速准确的测试结果。
第七章 热分析技术
1915年，日本的本多光太郎，在分析天平的基础上研制了
“热天平”即热重法（TG），后来法国人也研制了热天平技
术。
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热分析的起源及发展
1945年，首批商品化热分析天平生产。
1964年，美国的Watson和O’Neill在DTA技术的基础上发 明了差示扫描量热法（DSC），美国P－E公司最先生产了 差示扫描量热仪，为热分析热量的定量作出了贡献。
的行为有很大影响，某
些矿物试样在不同的气
氛控制下会得到完全不
同的DTA曲线。
试验表明，炉内气氛的
气体与矿物试样热分解
产物一致，那么分解反
应所产生的起始、终止
和峰顶温度增高。
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7.1差热分析
7.1.2差热分析曲线
通常气氛控制有两种形式：一种是静态气氛，一般为 封闭系统，随着反应的进行，样品上空逐渐被分解出 来的气体所包围，将导致反应速度减慢，反应温度向 高温方向偏移。另一种是动态气氛，气氛流经试样和 参比物，分解产物所产生的气体不断被动态气氛带走， 只要控制好气体的流量就能获得重现性好的实验结果。
(2)试样因素：包括试样的热容量、热导率和试样的纯度、 结晶度或离子取代以及试样的颗粒度、用量及装填密度 等。
(3)实验条件：包括加热速度、气氛、压力和量程、纸速等。
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7.1差热分析
7.1.2差热分析曲线
通常由厂家出厂的差热仪，经过安装调试后仪 器方面的因素已稳定。
这里我们侧重讨论在测试分析过程中较为切合 实际的试样以及实验条件的影响。
7.1.2差热分析曲线
热分析技术PPT课件
从熔融热焓法得到的结晶度定义为
c
Ha H H a Hc
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热重（TG）
在程序控温下测量试样质量对温度 的变化。
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TG仪器
热重分析仪的基本部件是热天平。根据结 构的不同，热天平可分为水平型、托盘型 和吊盘型三种。
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热分析技术
热分析（Thermal Analysis, TA）是指在程序控 温下测量物质的物化性质与温度关系的一类技术。
根据所测物性的不同，广义的热分析方法可分为9 类17种，但狭义的热分析技术只限于差热分析 （Differential thermal analysis, DTA）、差示扫 描量热（Differential scanning calorimetry, DSC）、热重分析（Thermogravimetry, TG）、 热机械分析（Thermomechanical analysis, TMA） 和动态热机械分析（Dynamic mechanical analysis, DMA）等。
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E'(elastic）
E（" viscous） 48
动态模量
E’ 为弹性模量，又称为储能模量，代表材 料的弹性； E” 为黏性模量，又称为损耗模量，代表材 料的黏性。 损耗模量对储能模量的比值称为损耗因子 或损耗角正切，即
tan E"/ E' DMA测试通常记录的是动态（储能、损耗） 模量对温度、频率等的变化。
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2024版年度热分析技术专题课件
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热重分析仪
主要由天平、加热炉、温度控制系统、气氛控制系统和数据采集与处理系统等部分组成，用 于进行热重分析实验。
扫描量热仪
主要由量热计、温度控制系统、功率补偿系统和数据采集与处理系统等部分组成，用于进行 扫描量热实验。这些设备都是进行热分析实验的重要工具，它们的精度和性能直接影响到实 验结果的准确性和可靠性。
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智能化和自动化发展趋势
智能化控制
通过引入人工智能、机 器学习等技术，实现热 分析仪器的智能化控制， 提高分析效率和准确性。
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自动化样品处理
采用机器人、自动化样 品处理系统等，实现样 品的自动进样、称重、 加热等操作，减少人工 干预，提高分析效率。
数据自动处理
通过引入数据处理软件， 实现数据的自动采集、 处理和分析，提高数据 处理效率和准确性。
通过动态力学分析（DMA）研究塑料材料在不同温度下的力学 性能和阻尼特性。
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橡胶材料性能评估
硫化特性分析
利用热分析技术研究橡胶的硫化过程，确定最 佳硫化温度和时间。
热氧老化性能
通过热氧老化试验评估橡胶材料的耐热氧老化 性能，预测材料的使用寿命。
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低温性能评估
利用低温热分析技术评估橡胶材料在低温环境下的性能表现。
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扫描量热法
原理
01
在程序控制温度下，测量输给物质和参比物的功率差与
温度的关系，以表征物质的热性质。
应用
02
研究物质的比热容、相变潜热、反应热等热力学性质，
以及物质的玻璃化转变、结晶、熔融等过程。
特点
热分析技术介绍
熱分析技術介紹完整的热分析系统由四种不同技术组成。
每种技术以独特的方式表征样品。
所有结果的组合可简化数据整理分析。
TGA 测量重量曲线，DSC 测量热流，TMA 测量长度变化，而DMA 则测量模量，所有这些测量值将随着温度或时间的变化而改变。
为测定弹性体的玻璃化转变、组分分析和聚合物的熔融、玻璃化转变、热历史等参数提供专业的差示扫描量热仪DSC、热重分析仪TGA、热机械分析仪TMA等热分析仪器。
热分析是在程序控制温度下，测量样品的性质随温度或时间变化的一组技术。
这里所说的温度程序可包括一系列的程序段，在这些程序段中可对样品进行线性速率的加热、冷却或在某一温度下进行恒温。
在这些实验中，实验的气氛也常常扮演着很重要的作用，最常使用的气体是惰性和氧化气体。
差示扫描量热，DSC差示扫描量热法是在程序控制温度下，测量输入到样品和参比样的热流差随温度（时间）变化的一种技术。
该热流差能反映样品随温度或时间变化所发生的焓变：当样品吸收能量时，焓变为吸热；当样品释放能量时，焓变为放热。
在DSC曲线中，对诸如熔融、结晶、固-固相转变和化学反应等的热效应呈峰形；对诸如玻璃化转变等的比热容变化，则呈台阶形。
热重分析TGA热重分析是在程序控制温度下，在设定气氛下测量样品的质量随温度度或时间变化的一种技术。
质量的变化可采用高灵敏度的天平来记录。
样品在加热过程中产生的气相组分可通过联用技术如TGA-MS、TGA-FTIR 进行逸出气体分析（EGA）。
TGA851 的同步SDTA 技术能同步提供样品的吸热或放热效应的DTA信号。
热重分析能提供下列结果：易挥发性成分（水分、溶剂）、聚合物、碳黑或碳纤维组分、灰分或填充组分的组分分析；聚合物样品的高温分解的机理、过程和动力学。
聚合物的典型TGA 曲线包括如下重量阶梯：1. 挥发物（水分、溶剂和单体）2. 聚合物分解3. 气氛变化4. 碳的燃烧（碳黑或碳纤维）5. 残余组分（灰分、填料、玻璃纤维）静态热机械分析，TMA静态热机械分析是用来测量在程序温度下，样品的尺寸随温度或时间变化的一种技术。
现代材料分析方法第七章 热分析技术
以∆H表示试样吸收或放出热量，若φ是恒定的，熔化时试 样的吸热速度为d ∆H/dt,可得到：
d∆T d∆H Cs = − K[∆T − Ta ] dt dt
b点时达到极大值，此时 d∆T / dt = 0 则有：
(3)
1 d∆H ∆Tb − ∆Ta = ⋅ K dt
反应a从到终点c ，整个过程变化的总热量为：
热分析只能给出试样的重量变化及吸热或放热 情况，解释曲线常常是困难的，特别是对多组分试样 作的热分析曲线尤其困难。目前，解释曲线最现实的 办法就是把热分析与其它仪器串接或间歇联用，常用 气相色谱仪、质谱仪、红外光谱仪、X光衍射仪等对 逸出气体和固体残留物进行连续的或间断的，在线的 或离线的分析，从而推断出反应机理。
样品放热时，IS< IR；样品吸热时， IS>IR；
欲使试样和参比物间的温度差∆T＝0，由温差热电偶输出 一个温差信号，经放大后输出功率差∆P′ ，而 ∆P′ 正比于补偿 回路总电流I。记录∆P′ 随T或时间变化得到DSC曲线。
2、DSC的测量池结构 、 的测量池结构 a) 池结构复杂，但 铂电阻温度计的稳定 度和灵敏度高于热电 偶； b) 池结构简单，性 能不如前者。
分为两种主要方法：
热流式和功率补偿式示差扫描量热法
1、热流式DSC
热流式DSC又称为定量DTA。感温元件由样品中改放到外 面，紧靠试样和参比物，以消除试样热阻随温度的变化。
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2、功率补偿式示差扫描量热法
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两个独立量热器皿均处在程控温度，采用封闭回 路，能精确测量热容和热焓。
1）功率补偿式的工作原理
反应终点C时，由于反应热效应结 束，dH/dt=0, 式(5)可简化为：
Cs d∆T = −K[∆T − Ta ] dt
热分析技术(最新版)PPT课件
特点
设备简单、操作方便、试样用量少； 但精度较低、分辨率差。
应用
研究物质的物理变化（晶型转变、熔 融、升华和吸附等）和化学变化（脱 水、分解、氧化和还原等）。
差示扫描量热法
原理
在程序控制温度下，测量输入到 物质和参比物的功率差与温度的
关系。
应用
测定多种热力学和动力学参数， 如比热容、反应热、转变热等； 研究高分子材料的结晶、熔融和
流体中由于温度差异引起的密度变 化而产生的宏观运动，是热量传递 的一种重要方式。
热辐射
物体通过电磁波的形式发射和吸收 能量，其辐射强度与物体温度、表 面性质等因素有关。
热分析中的物理量与单位
温度
热力学系统的一个物理属性，表示物体冷 热的程度，常用单位有摄氏度、华氏度、
开尔文等。
热容
物体在温度变化时所吸收或放出的热量与 其温度变化量之比，常用单位有焦耳/摄氏
环境科学领域应用
大气污染物分析
利用热分析技术可以对大气中的 污染物进行分析和鉴定，揭示大 气污染物的来源和危害。
土壤污染物分析
通过热分析技术可以分析土壤中 的污染物，评价土壤的污染程度 和生态风险。
环境样品热性质研究
利用热分析技术可以研究环境样 品的热性质，如热稳定性、热分 解温度等，为环境科学研究和环 境保护提供技术支持。
热机械分析法
原理
01
在程序控制温度下，测量物质在非振动载荷下的形变与温度的
关系。
应用
02
研究材料的热膨胀系数、玻璃化转变温度、流动温度等；评估
材料的尺寸稳定性、内应力和热震稳定性等。
特点
03
能直接测量材料的形变，反映材料的机械性能随温度的变化；
热分析技术
• 4、没有明显的热效应，开始收缩或从膨胀转变为收缩时， 表示烧结开始，收缩越大，烧结进行得越剧烈。
差热分析仪
（二）、差热曲线的形成
（三）、DTA曲线的特征及温度标定
DTA曲线是将试样和参比物置于同一环境中以一定速率加 热或冷却，将两者的温度差对时间或温度作记录而得到的。 DTA曲线的实验数据是这样表示的，纵坐标代表温度差 T，吸热过程是一个向下的峰，放热过程是一个向上的峰。 横坐标代表时间或温度。
一、热分析技术的发展历史
1、差热析的历史
1887年法国学者李﹒恰特利为研究粘土矿物，制作了差热 分析仪。灵敏度低，易受外界热变化的影响。
1899年英国学者劳贝茨－奥斯坦改良了李﹒恰特利的装置。 为目前广泛使用的差热分析仪的模型。
1969年首次出现热分析杂志，1970年创刊“热化学记 要”，成为世界上专门报道热分析应用的杂志。
2、热重分析
1915年日本东北大学的本多光设计了一架热天平，开创了 热重分析。
二次大战后，美国首先制成了商品化的电子管式差热分析 仪。随后，商品化的热分析仪迅速发展，并朝自动化、微 量化、综合化方向发展。
三、应用领域
• 从热分析文摘（TAA）近年的索引可以看 出，热分析技术广泛应用于无机，有机， 高分子化合物，冶金与地质，电器及电子 用品，生物及医学，石油化工，轻工等领 域。当然这与应用化学，材料科学，生物 及医学的迅速发展有密切的关系。
•玻璃 •金属 •陶瓷･粘土･矿物 •水泥
DSC
TG
DTA
TMA
综合热分析
四、热分析技术的分类
加热
物质
冷却
热量变化 重量变化 长度变化 粘弹性变化 气体发生 热传导
《热分析技术》课件
热重-差示扫描量热联用技术
热重-差示扫描量热联用技术结合了热重分析技术和差示扫描量热技术，可以同时测量样品的质量变 化和热量变化。
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热重分析
测量样品的质量变化。
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差示扫描量热
பைடு நூலகம்
测量样品和参比样品在相同条件下的热量差。
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联用分析
通过分析质量变化和热量变化，研究样品的物化性质和反应动力学。
热分析技术的应用
通过测量样品的热导率来研究 其热传导性能。
热容测定
通过测量样品的热容来研究其 储热特性。
热稳定性测定
通过测量样品在高温条件下的 热分解和氧化特性来评估其热 稳定性。
热膨胀技术
热膨胀技术是一种通过测量材料在不同温度下的尺寸变化来研究材料的热膨 胀性质的方法。
• 线膨胀系数测定：测量材料在不同温度下的长度变化。 • 体膨胀系数测定：测量材料在不同温度下的体积变化。 • 表面膨胀系数测定：测量材料在不同温度下的表面面积变化。
《热分析技术》PPT课件
欢迎来到《热分析技术》的PPT课件，本课件将介绍热分析技术的概述和其在 各个领域中的应用，让您深入了解这一领域的知识。
热分析技术的概述
热分析技术是一种通过对样品施加热量并测量样品的物理和化学性质的变化来研究材料性质的方法。
热重分析技术
通过测量物质的质量变化 来研究热分解、燃烧等过 程。
热分析技术在各个领域中都有重要的应用，以下是一些示例应用领域。
无机化学研究
研究无机材料的热稳定性、热分解特性等。
有机化学研究
研究有机化合物的燃烧性质、热解特性等。
材料科学研究
研究材料的热膨胀性质、热传导性能等。
环境科学研究
研究环境样品的热稳定性、热解过程等。
热分析技术
DTA曲线的纵坐标表示温差(T)，吸热向下，放热向上。横坐标
为温度T(或时间t)。
基线——
T近于零(图中的AB、DE段)； 峰宽—— B’D’； 峰高—— CF；
峰——BCD；
峰面积——BCDB；
外推起始点(出峰点)一峰前沿最大斜率点与基线延长线的交点(G)。
差热分析曲线
热分析技术
2.2 DTA的影响因素
第二次热失重反应后累计失去的重量为22％，
减去第一次热反应所失去的量还有8％，即等 于分子量9.4，相当于H20的一半。这样，完 整的热分解反应方程式为： -NH3 -1/2 H2O
NH4VO3--------HVO3--------------V2O5
热分析技术
b．微商热重曲线(DTG曲线)
TG曲线对时间(或温度)的一次微分所得曲
线即DTG曲线。 它的纵坐标为dW／dt(或dW／dT) DTG曲线上出现的各种峰对应着TG曲线上 的各个重量变化阶段。峰的面积与样品对应 的重量变化成正比。
热分析技术
热分析技术
DTG曲线具有以下一些特点：
(1)
能精确反映起始反应温度、最大反应速率温度 和反应终止温度(相对来说，TG曲线迟钝些）；
（2）能精确区分出相继发生的热重变化。
热分析技术
(3)
DTG曲线的峰面积精确地对应着变化了 的样品重量。
（4）能方便地为反应动力学计算提供反应
速率(dW／dt)数据。
（5）DTG与DTA具有可比性，但前者与质
热分析技术
2.1差热分析的基本原理
热分析技术
参比物应是惰性材料，即在测定的
温度范围内，不产生任何热效应（放 热、吸热）的材料。 如：α－A12O3、 α－石英、 硅油等。