综合热分析讲义1课件.ppt
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1、综合热分析综合热分析Thermal Analysis徐严平2009.11第一章第一章 绪绪 论论 主要内容主要内容1.1 热分析定义与分类热分析定义与分类1.2 热分析的发展历史热分析的发展历史1.3 热分析的技术基础热分析的技术基础1.4 热分析的研究内容热分析的研究内容1.5 热分析的应用热分析的应用1.5 热分析仪热分析仪1.6 热分析特点热分析特点1.7 热分析数据报道热分析数据报道1.1 热分析定义与分类热分析定义与分类 顾名思义,是以热进行分析的一种方法。通俗来说,热分析是通过测定物质加热或冷却过程中物理性质(目前主要是重量和能量)的变化来研究物质性质及其变化,或者对物质进行分析鉴
2、别的一种技术。热分析定义热分析定义 国际热分析协会(国际热分析协会(ICTA)1977年在年在日本京都召开的第七次会议上,给热分析日本京都召开的第七次会议上,给热分析下了如下定义:下了如下定义:热分析热分析在程序控制温度下,在程序控制温度下,测量物质的物理性质与温度的关系的测量物质的物理性质与温度的关系的一类技术一类技术。程序控制温度程序控制温度,是指加热或冷却以一定的速率进行,一般是指线性升温或线性降温,当然也包括恒温、循环或非线性升温、降温,也就是把温度看作是时间的函数:物理性质则包括物质的质量、温度、热焓、尺寸、机械、声学、电学及磁学等性质。T(t)其中,T 是温度,t 是时间。则 数学
3、表达式为:Pf(T)=f(t)=u(t)其中,P是物质的一种物理量。热分析分类热分析分类物物 理理 性性 质质方方 法法 名名 称称简简 称称尺 寸 热 膨 胀 法 热 机 械 分 析TM A力 学 特 性 动 态 热 机 械 法D M A 热 发 声 法声 学 特 性 热 传 声 法光 学 特 性 热 光 学 法电 学 特 性 热 电 学 法磁 学 特 性 热 磁 学 法(续上)l几种主要的热分析方法的温度范围及其应用热重法(热重法(TG)差热分析(差热分析(DTA)差示扫描量热分析(差示扫描量热分析(DSC)热机械分析(热机械分析(TMA)常用的热分析方法常用的热分析方法 1899年 英国
4、的罗伯特奥斯汀(Roberts-Austen)发明了差热分析(DTA)技术;1903年“热分析”术语被提出;1915年 日本的本多光太郎,研制出了“热天平”,从而有了热重法(TG);1945年 首批商品化热天平生产;1.2 热分析的发展历史热分析的发展历史 1964年 美国的瓦特逊(Watson)和奥尼尔(ONeill)在 DTA技术的基础上发明了差示扫描量热法(DSC),美国 PE公司最先生产了差示扫描量热仪;1965年 第一次国际热分析会议召开;1968年 国际热分析协会(ICTA)成立;1969年 热分析杂志(Jounal of Thermal Analysis)创刊;1970年 热分析
5、学报(Thermochimica Acta)创刊。1979年 中国化学会化学热力学和热分析专业委员会成立;1980 年 我国第一届热化学、热力学和热分析会议在西安召开;第八、九次会议分别在上海(1996)、北京(1998)召开。在我国的发展情况:1.3 热分析的技术基础热分析的技术基础 物质在加热或冷却过程中,随着其物理状态或化学状态的变化,通常伴有热力学性质或其它性质的变化,因而通过对某些性质的测定可以分析研究物质的物理变化或化学变化的过程。加热加热冷却冷却热力学性质等热力学性质等测定测定研究研究物质变化物质变化过程过程物理变化物理变化化学变化化学变化物物 质质1.4 热分析的研究内容热分析
6、的研究内容l物理变化(晶型转变、相态变化和吸附等)l化学变化(脱水、分解、氧化和还原等)通过对这些变化的研究,可对材料作出鉴别、分析和选择。此外,热分析不仅提供热力学数据,而且还可以给出有一定参考价值的动力学数据。1.5 热分析的应用热分析的应用 应用的领域极其广泛,包括化学(无机、有机、高分子)、化工、冶金、玻璃、陶瓷、食品、医药、生化、物理、塑料、橡胶、地质、土壤、电子、建筑、能源(石油、煤炭)、环保、航天等领域。应用类型,大致有以下几方面:应用类型,大致有以下几方面:(1)成分分析 无机物、有机物、药物和高聚物的鉴别以及它们的相图研究。(2)稳定性测定 物质的热稳定性、抗氧化性能的测定等
7、。(3)化学反应研究 固体物质与气体反应的研究、催化剂性能测定、反应动力学研究、反应热测定、相变和结晶过程研究。(4)材料质量检定 纯度测定、固体脂肪指数测定、高聚物质量检验、液晶的相变、物质的玻璃化转变和居里点、材料的使用寿命等的测定。(5)材料力学性质测定 抗冲击性能、粘弹性、弹性模量、损耗模数和剪切模量等的测定。(6)环境监测 研究蒸气压、沸点、易燃性和易爆物的安全储存条件等。1.5 热分析仪热分析仪 现代热分析仪的种类较多,大致由下列几部分组成:程序控温系统程序控温系统 由炉子和控温两部分组成。通常是以比例-积分-微分(PID)调节器通过可控硅触发器进行温度控制。测量系统测量系统 热分
8、析仪的核心部分。它把测得的物理量转换成电信号,作记录和处理用。显示系统显示系统 由显示器可直接将热分析曲线和实验结果显示出来。气氛控制系统气氛控制系统 提供反应气氛和保护气氛。实验气氛转换开关把所需要的气氛(氮气、氧气、氢气、氦气等)经流量调节阀输入测量系统。操作控制和数据处理系统操作控制和数据处理系统 现代化的热分析仪都是通过计算机来实行仪器的操作控制和数据处理。1.6 热分析特点热分析特点l 应用的广泛性应用的广泛性l 方法和技术的多样性方法和技术的多样性l 在动态条件下的快速性在动态条件下的快速性l 与其它技术的联用性与其它技术的联用性1.7 热分析数据报道热分析数据报道 报道热分析数据
9、时,应符合规范报道热分析数据时,应符合规范要求要求,也就是在报道分析结果及通常的也就是在报道分析结果及通常的说明的同时,还必须同时作出特别的说明的同时,还必须同时作出特别的说明,主要的具体如下:说明,主要的具体如下:升(降)温速率,气氛,坩埚材升(降)温速率,气氛,坩埚材料,试样用量,参比物料,试样用量,参比物,温度校正所温度校正所用的标准物质用的标准物质,装填料方式等等。装填料方式等等。第二章第二章 热热 重重 法法(Thermogravimetry,TG)2.1 定义与相关知识定义与相关知识2.2 热重仪热重仪2.3 热重法的温度标定热重法的温度标定2.4 热重法的计算热重法的计算2.5
10、微商热重法微商热重法2.6热重曲线的影响因素热重曲线的影响因素2.7 热重法的应用热重法的应用主要内容主要内容2.1定义与相关知识 简称简称 TG,是在程序控制温度下,测是在程序控制温度下,测量物质的质量与温度关系的一种技术量物质的质量与温度关系的一种技术。其数学表达式为:W=f(T)热重法(热重法(Thermogravimetry)热重曲线热重曲线 由热重法试验得到的曲线,亦称由热重法试验得到的曲线,亦称TG曲线。曲线。?-20?0?20?40?60?80?100?120?Weight?(%)?450?500?550?600?650?Temperature?(C)?固体热分解反应的典型的固体
11、热分解反应的典型的 TG 曲线曲线ABTiTfTW%CD 平台平台 TG曲线上,质量基本不变的部分,曲线上,质量基本不变的部分,如前图中的如前图中的 AB 和和 CD。起始分解温度起始分解温度 Ti 当累积质量变化达到热天平能够检当累积质量变化达到热天平能够检测时的温度,简称测时的温度,简称起始温度起始温度,如前图中,如前图中的的 B 点。点。实际上的实际上的TGTG曲线并非是一些理想的平曲线并非是一些理想的平台和迅速下降的区间连续而成,常常在平台台和迅速下降的区间连续而成,常常在平台部分也有下降的趋势,可能原因有:部分也有下降的趋势,可能原因有:这个化合物透过重结晶或用其它溶剂进这个化合物透
12、过重结晶或用其它溶剂进行过处理,本身含有吸附水或溶剂,因此减行过处理,本身含有吸附水或溶剂,因此减重;重;高分子试样中的溶剂,未聚合的单体和高分子试样中的溶剂,未聚合的单体和低沸点的增塑剂的挥发等,也造成减重。低沸点的增塑剂的挥发等,也造成减重。注意注意可用以下方法消除影响可用以下方法消除影响 无机化合物在较低温度下干燥无机化合物在较低温度下干燥,如硅胶、五氧化二磷干燥剂,把吸湿,如硅胶、五氧化二磷干燥剂,把吸湿水去掉。水去掉。可控温下的真空抽吸,把单体及可控温下的真空抽吸,把单体及低沸点的增塑剂、挥发物分离出来。低沸点的增塑剂、挥发物分离出来。终止温度终止温度 Tf 当累积质量变化达最大时时
13、的温度,当累积质量变化达最大时时的温度,简称简称终止温度终止温度,如前图中的,如前图中的 C 点。点。反应区间反应区间 起始温度与终止温度之间的间隔,如起始温度与终止温度之间的间隔,如前图中的前图中的Ti Tf。外推起始温度外推起始温度 Tei 失重前的基线的延长线与失重前的基线的延长线与TG曲线拐点曲线拐点(最大失重速率)处的切线的交点所对应(最大失重速率)处的切线的交点所对应的温度的温度,如前图中的,如前图中的 Tei 点。点。外推终止温度外推终止温度 Tef 失重后的基线的延长线与失重后的基线的延长线与TG曲线拐曲线拐点(最大失重速率)处的切线的交点所对点(最大失重速率)处的切线的交点所
14、对应的温度应的温度,如前图中的,如前图中的 Tef点。点。?-20?0?20?40?60?80?100?120?Weight?(%)?450?500?550?600?650?Temperature?(C)?TG 曲线的外推温度曲线的外推温度ABTiTfTW%CDTeiTef 起始温度起始温度 Ti 常不易确定,重复性差;而常不易确定,重复性差;而外推起始温度外推起始温度 Tei的确定则较容易,重复性的确定则较容易,重复性较好。较好。终止温度终止温度 Tf与与外推终止温度外推终止温度 Tef与上述与上述类似。类似。比较起来,外推起始温度比较起来,外推起始温度 Tei 比比与与外外推终止温度推终止
15、温度 Tef 更为有用,常使用的是外更为有用,常使用的是外推起始温度推起始温度 Tei 。特征分解温度特征分解温度 没有固定的统一的规定,而是多种没有固定的统一的规定,而是多种多样:多样:将将外推起始温度作为特征分解温度外推起始温度作为特征分解温度 最大失重速率温度最大失重速率温度其它其它上述所指是单步过程,多步过程是一上述所指是单步过程,多步过程是一系列单步过程的叠加结果。系列单步过程的叠加结果。注意:注意:分步过程分步过程TG曲线曲线 例:例:CaC2O4 H2O 热分解反应热分解反应TG曲线曲线 CaC2O4 H2O CaC2O4 H2O CaC2O4 CaCO CO CaCO CaOC
16、O 分分3 3步进行,反应式如下:步进行,反应式如下:TG曲线:曲线:?154.3C?194.7C?476.3C?516.7C?687.4C?761.2C?20?40?60?80?100?120?Weight?(%)?0?200?400?600?800?1000?Temperature?(C)?Universal?V4.2E?TA?InstrumentsCaC2O4 H2O 的的TG 曲线曲线CaC2O4 H2O CaC2O4 H2OCaC2O4 CaCO COCaCO CaOCO2.6 热重仪热重仪 热天平热天平 亦即热重仪。在程序温度下,连亦即热重仪。在程序温度下,连续称量试样的仪器。续称
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