常用热分析方法测定固体的热性能

常用热分析方法测定固体的热性能

一、实验目的

（1）掌握常用热分析方法（DTA，TG，DTG，DSC）的基本原理和分析方法，了解常用热分析仪器（差热分析仪，热重分析仪，差热-热重（DTA-TG）联用仪，差示扫描量热法仪的基本结构，熟练掌握仪器操作，

（2）运用分析软件对测得热分析曲线进行分析，掌握测定固体样品的热性能的方法，如质量，熔点，结晶度，结晶温度，热效应，玻璃化转变等等。

二、实验原理

1. 差热分析法（简称DTA）

物质在受热或冷却过程中,当达到某一温度时,往往回发生熔化、凝固、晶型转变、分解、化合、吸附、脱附等物理或化学变化，并伴随着焓的改变，因而产生热效应，其表现为体系与环境（样品与参比物）之间有温度差。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。在加热（或冷却）过程中，因物理-化学变化而产生吸热或者放热效应的物质，均可运用差热分析法进行鉴定。

2. 热重法（简称TG或TGA）

物质受热时，发生化学反应，质量也随之改变，测定物质质量的变化就可研究其过程。热重法（TG）是在程序控制温度下，测量物质质量与温度关系的一种技术。

热重法的主要特点是定量强，能准确地测量物质的变化及变化的速率。

从热重法派生出微商热重法（DTG），即TG曲线对温度（或时间）的一阶导数。DTG 曲线能精确地反映出起始反应温度，达到最大反应速率的温度和反应终止温度。在TG曲线上，对应于整个变化过程中各阶段的变化互相衔接而不易分开，同样的变化过程在DTG曲线上能呈现出明显的最大值，故DTG能很好地显示出重叠反应，区分各个反应阶段，而且DTG曲线峰的面积精确地对应着变化了的质量，因而DTG能精确地进行定量分析。

现在发展起来的差热-热重（DTA-TG）联用仪，是将DTA与TG的样品室相连，在同样气氛中，控制同样的升温速率进行测试，同时得到DTA和TG曲线，从而一次测试得到更多的信息，对照进行研究。

3. 差示扫描量热法(简称DSC)

是在程序升温的条件下，测量试样与参比物之间的能量差随温度变化的一种分析方法。是为克服DTA在定量测量方面的不足而发展起来的一种新技术。

差示扫描量热法有功率补偿式和热流式两种。在差示扫描量热中，为使试样和参比物的温差保持为零在单位时间所必需施加的热量与温度的关系曲线为DSC曲线。曲线的纵轴为单位时间所加热量，横轴为温度或时间。曲线的面积正比于热焓的变化。

DSC与DTA原理相同，但性能优于DTA，测定热量比DTA准确，而且分辨率和重现性也比DTA好，因此DSC在聚合物领域获得了广泛应用，大部分DAT应用领域都可以采用DSC进行测量，灵敏度和精确度更高，试样用量更少。由于其在定量上的方便从而更适和测量结晶度、结晶动力学以及聚合、固化、交联氧化、分解等反应的反应热及研究其反应动力学。

三、仪器与试剂

1．仪器

日本岛津公司DTA-50差热分析仪；TGA-50H热重分析仪；DTG60H差热-热重联用仪；DSC60差示扫描量热仪；TA-60WS工作站,电子天平；SSC-30 压样机；FC60A气体流量控制器。

2．试剂

待测样品CuSO4 5H2O等；PP（聚丙烯）;HDPE(高密度聚乙烯)等；参比物Al2O3。

四．实验步骤

1. 差热分析（DTA）

(1) 通水通气

接通冷却水，开启水源使水流畅通，保持冷却水流量300ml/min以上，根据需要在通气口通入保护气体，将气瓶出口压力调节到0.59到0.98Mpa.

(2) 开机

依次打开专用变压器开关，DTA -50开关，TA-60WS工作站开关，同时

开启计算机开关和打印机开关。

(3) 调节气体流量

将仪器左侧流量控制钮旋至25ml/min至50ml/min。

(4) 称量及放样

用电子天平称10mg左右样品后放入坩埚内，在另一只坩埚内放

入适量参比物（大致比例：试样为无机物时，试样与参比物1：1；试样为有机物时，试样与参比物1：2），将两只坩埚轻轻敲打颠实，按DTA-50 控制面板键，炉子升起，将试样坩埚放在检测支持器右皿，将参比物坩埚放在左皿，按键放下炉子。

(5) 参数设定

电脑屏幕上进入TA-60WS Collect界面，点击DTA-50，点击

Measure，输入升温速率，终止温度；进入PID Parameters，确定P：10；I：10；D：10；进入Sampling Parameters，确定Sampling time：10；进入File Information，依次输入测量序号、样品名称、重量、分子量、坩埚名称、气氛、气体流速、操作者姓名。检查计算机输入的参数，单击“确认”。

(6) 测量

回到Measure，点击Sart，测量开始。当试样达到预设的终止温度时，测量自动停止。

(7) 关机

等炉温降下来再依次关TA-60WS工作站开关，DTA -50开关，专用变

压器开关，关冷却水，关气瓶（为保护仪器，注意炉温在500C以上不得关闭DTA-50主机电源）。

(8)数据分析

进入分析界面（Analysis），打开所做测量文件，由所测样品的DTA

曲线，选择项目进行分析，如切线（Tangent）求反应外推起始点，Peak求峰值，Peak Height 求峰高，Heat求峰面积，等等。最后数据存盘，打印差热曲线图。

2. 热重分析（TG）

(1)通气

根据实验需要在通气口通入保护气体，将气瓶出口压力调节到0.59到

0.98Mpa.

(2)开机

依次打开专用变压器开关，TGA-50开关，工作站开关，同时开启计算

机及打印机开关。

(3) 调节气体流量

将仪器左侧流量控制钮旋至25ml/min至50ml/min。

(4) 天平调零

按TGA-50控制面板键，炉子下降，将样品托板拨至炉子瓷体端口

（注意为避免操作失误导致杂物掉入加热炉中，在打开炉子操作时，一定要将样品托板拨至热电偶下），用镊子取一只空坩埚小心放入Pt样品吊篮内，移开样品托板，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)放样

按down键，炉子下降，移过样品托板,小心取出坩埚，装入约占坩埚1/3-1/2高度的样品，轻轻敲打坩埚使样品均匀，然后将坩埚放入样品吊篮内，移开样品托板，升起炉子

(6)测量

电脑屏幕上进入TA-60WS COLLECT界面，点击TGA-50，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：10；

I：10；D：10；进入Sampling Parameters，确定Sampling Time：10；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。

(7)关机

等炉温降下来再依次关TA-60WS工作站开关，TGA -50开关，专用变

压器开关，关气瓶（为保护仪器，注意炉温在500℃以上不得关闭TGA-50主机电源）。

(8)数据分析

进入分析界面（Analysis），打开所做测量文件，对原始热重记录

曲线进行适当处理，先对其求导，得到DTG曲线；选定每个台阶或峰的起止位置，算出各个反应阶段的TG失重百分比，失重始温，终温，失重速率最大点温度。最后数据存盘，打印热重曲线图。

3. 差热-热重联用（DTA-TG））

(1) 开机

打开DTG-60 主机、计算机、TA-60WS 工作站以及FC-60A 气体控制器。

(2) 气体

接好气体管路。DTG-60 主机后面有3 个气体入口。测定样品用“GAS1 （purge）”入口，通常使用N2、He或Ar 等惰性气体，流量控制在30-50mL/min；分析样品中用到反应气的情况，使用“GAS2（reaction）”入口通入气体，通常使用O2，流量最大100mL/min；气体吹扫清理样品腔时使用“cleaning”窗口，通常使用N、空气，流量控制在200-300mL/min。

注意：请将所使用入口之外的其他气体入口堵住。

(3)开机

按DTG-60AH 主机前面板的“OPEN/ CLOSE”键，炉盖缓缓升起。把空白坩埚放置于左边参比样品盘，把空的样品坩埚放置于右边样品盘中，按“OPEN/ CLOSE”键降下炉盖。