热分析实验的技巧课件.ppt
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- 分析 实验 技巧 课件
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1、NETZSCH Analyzing&TestingLeading Thermal A升温速率与样品制备气氛支架的选择坩埚STC 模式DSC 基线的优化峰面积基线类型的选择TG 基线Maintenance and artifcats on LFA systems2热分析实验技巧升温速率与样品制备气氛支架的选择坩埚STC 模式DSC 基线的优化峰面积基线类型的选择TG 基线Maintenance and artifcats on LFA systems3热分析实验技巧NETZSCH Analyzing&Testing升温速率与样品量 升温速率升温速率NETZSCH Thermokinetics D
2、ecomposition of DPOP-PPV450500550600650700Temperature/癈60708090100Mass/%10.3 K/min 5.2 K/min 2.6 K/min 1.0 K/min快速升温:优点:DSC 峰形较大不足:样品内部温度梯度较大 所测特征温度向高温漂移 相邻峰或失重台阶的分离能力下降慢速升温:优点:样品内部温度较均匀 有利于相邻峰或相邻失重平台的分离不足:DSC/DTA峰形较小热分析领域最常用升温速率是 10K/min145.0150.0155.0160.0165.0170.0175.0180.0温度/00.51.01.52.02.5DSC
3、/(mW/mg)In 的熔融5K/min20K/min10K/min面积:峰值:起始点:宽度:高度:28.45 J/g159.8 157.0 3.7(37.000%)2.605 mW/mg面积:峰值:起始点:宽度:高度:28.56 J/g158.9 156.8 2.4(37.000%)2.071 mW/mg面积:峰值:起始点:宽度:高度:28.61 J/g158.2 156.6 1.6(37.000%)1.595 mW/mg 放热方向NETZSCH Analyzing&Testingl 一般情况下,以较小的样品量为宜。热分析常用的样品量为 515mg。l 在样品存在不均匀性的情况下,可能需要使
4、用较大的样品量才具有代表性2.样品量样品量小样品量:优点:样品内温度梯度小 所测特征温度较低,更“真实”有利于气体产物扩散 相邻峰(平台)分离能力增强缺点:DSC 峰形较小大样品量:优点:增大 DSC 检测信号 增加对微量失重的检测可靠性缺点:峰形加宽,峰平台分离能力下降 峰温失重平台向高温漂移 样品内温度梯度较大 气体产物扩散稍差。升温速率与样品量NETZSCH Analyzing&Testing一对矛盾:一对矛盾:灵敏度灵敏度 分辨率分辨率如何提高灵敏度,检测微弱的热效应:提高升温速率,加大样品量。如何提高分辨率,分离相邻的峰(平台):使用慢速升温速率,小的样品量。由于增大样品量对灵敏度影
5、响较大,对分辨率影响较小,而加快升温速率对两者影响都大,因此在多峰重叠且热效应微弱的情况下,常以选择较慢的升温速率(保持良好的分辨率),而以适当增加样品量来放大热效应。升温速率与样品量NETZSCH Analyzing&Testingl 块状样品:建议切成薄片或碎粒l 粉末样品:使其在坩埚底部铺平成一薄层l 堆积方式:一般建议堆积紧密,有利于样品内部的热传导 但对于有大量气体产物生成的反应,可适当疏松堆积原则:使样品与坩埚底部尽量紧密接触。对于量少而松散的纤维样品,可考虑坩埚盖反压。制样方式升温速率与样品制备气氛支架的选择坩埚STC 模式DSC 基线的优化峰面积基线类型的选择TG 基线Main
6、tenance and artifcats on LFA systems8热分析实验技巧NETZSCH Analyzing&Testing动态、静态气氛与真空l 从保护天平室与传感器、防止分解物污染的角度,一般推荐使用动态吹扫气氛。l 真空气氛在某些场合下有特殊应用。如某些橡胶、塑料的成分比例检测,在真空气氛下能够降低小分子添加剂的沸点,达到分离失重台阶的目的。l 若需使用真空或静态气氛,须保证反应过程中的释出气体无危害性。NETZSCH Analyzing&Testing真空测试应用-NR/SBR 橡胶中增塑剂的分解Mass loss/%增塑剂增塑剂质量损失:-9.87%天然橡胶天然橡胶 N
7、R质量损失:-38.81%丁苯橡胶丁苯橡胶 SBR质量损失:-14.79%Temperature/CDTG%/minSample:NR/SBRSample mass:20.64 mgCrucible:Pt openHeating rate:20 K/minAtmosphere:N2将 NR/SBR 共混橡胶材料,在 N2 气氛下按照标准的 TG 方法进行分析,增塑剂的失重量为 9.87%。(增塑剂失重与橡胶分解台阶有较大重叠)NETZSCH Analyzing&TestingMass loss/%DTG%/minTemperature/C增塑剂增塑剂mass loss:-13.10%天然橡胶天
8、然橡胶 NRmass loss:-36.97%丁苯橡胶丁苯橡胶 SBRmass loss:-10.33%Sample:NR/SBRSample mass:20.64 mgCrucible:Pt openHeating rate:20 K/minAtmosphere:VACUUM将该样品在真空下进行测试,由于增塑剂沸点的降低,挥发温度与橡胶分解温度拉开距离,得到了更准确的增塑剂质量百分比:13.10%。真空测试应用-NR/SBR 橡胶中增塑剂的分解NETZSCH Analyzing&Testingl 对于动态气氛,根据实际反应需要选择惰性(N2,Ar,He)、氧化性(O2,air)、还原性与其他
9、特殊气氛等,并安排气体之间的混合、切换关系。l 为防止不期望的氧化反应,对某些测试必须使用惰性的动态吹扫气氛,且在通入惰性气氛前往往须作抽真空-惰性气氛置换操作,以确保气氛的纯净性(对于特别易于氧化的样品,可考虑配备OTS附件)。l 气氛惰性的相对性:常用惰性气氛如 N2,在高温下亦可能与某些样品(特别是一些金属材料)发生反应。此时应考虑使用“纯惰性“气氛(Ar,He)l 气体密度的不同影响到热重测试的基线漂移程度(浮力效应大小)。为确保基线扣除效果,使用不同的气氛须单独作热重基线测试。吹扫气体的选择OTS 附件:彻底解决氧化问题800900100011001200130014001500Te
10、mperature/C12345DSC/(mW/mg)949596979899100101102TG/%1527.7 C1475.8 C1323.2 C1195.2 C82 J/g1425.0 C288 J/g!1488.2 C 15.10%1561.0 C 100.00%exoSample:-TiAlSample mass:56.13 mgCrucible:Pt+liner+lidSample holder:DSC-cpHeating rate:20 K/minAtmosphere:Argon at 50 ml/min特制OTS附件,消除吹扫气中残余氧气,保证炉体气氛纯净,金属样品不会被残余
11、氧气氧化 NETZSCH Analyzing&Testing常用气氛:常用气氛:l N2:常用惰性气氛l Ar:惰性气氛,多用于金属材料的高温测试。l He:惰性气氛,因其导热性好,有时用于STA低温炉与超高温炉测试(需单独做灵敏度校正)。l Air:氧化性气氛,常作为陶瓷氧化物类样品的吹扫气氛。l O2:强氧化性气氛,一般用作反应气氛。必须考虑气氛在测试所达到的最高温度下是否会与热电偶、坩埚等发生反应。大多数还原性气体以控制使用温度不超过600为宜。注意防止爆炸和中毒。吹扫气体的选择特殊气氛(如特殊气氛(如H2、CO、HCl 等):等):NETZSCH Analyzing&Testing复杂
12、气流控制下的热重分析通过改变测试气氛(真空氮气空气),有助于深入剖析材料成分NETZSCH Analyzing&Testing16白云石分解 气氛的影响白云石分解为氧化镁和氧化钙的过程分为两个步骤。第一步为碳酸镁分解,第二步为碳酸钙分解。在氮气气氛下两步分辨得不明显。但是在二氧化碳气氛下两步分解明显分开。其原因在于,二氧化碳的存在延迟了分解反应,而且对第二步反应的影响尤其显著。NETZSCH Analyzing&Testingl Netzsch 热分析仪常用的吹扫气流量为 2030ml/min。l 对于需要气体切换的反应(如反应中从惰性气氛切换为氧化性气氛),提高气体流量能缩短炉体内气体置换的
13、过程。l 对于存在一定污染性的样品测试,使用较大的气体流量,能够减少污染的可能。l 不同的气体流量,影响到热重测试的基线漂移程度。因此对TG测试必须确保气体流量的稳定性,不同的气体流量须作单独的基线修正。气体流量的选择升温速率与样品制备气氛支架的选择坩埚STC 模式DSC 基线的优化峰面积基线类型的选择TG 基线Maintenance and artifcats on LFA systems18热分析实验技巧NETZSCH Analyzing&TestingSTA:TG-DSC 传感器优点:优点:热电偶与样品间为面接触,灵敏度高,时间常数短,响应快。对流与辐射因素的影响小。基线漂移小,重复性好
14、。可定量计算热焓。可进行比热测试。不足之处:不足之处:允许的样品量相对较小。传感器结构精巧,暴露面积较大,须注意防止来自一些高危样品的污染。NETZSCH Analyzing&TestingSTA:TG-DSC 传感器应用:应用:适合于绝大多数应用场合,特别是需要定量计算热焓的场合。热电偶类型:热电偶类型:S型:RT.1650,常规高温型E型:-150.700,低温型,高灵敏度K型:-150.800,低温型,高灵敏度P型:-150.1000,中低温型,适合不锈钢炉体配置B型:RT.1800,超高温型对于E型与K型传感器,500以上使用时必须使用惰性气氛保护。NETZSCH Analyzing&
15、TestingSTA:TG-DTA 传感器优点:优点:样品量允许较大(适用于非均匀材料的测试)。传感器结构简单,不易污染与损坏。价格较经济(相比 DSC)缺点:缺点:热电偶与样品间为点接触,灵敏度相对较低。对流与辐射对热交换的影响较大。基线重复性稍差。量热精度低。不能用于比热测量。应用:应用:适合于无需定量计算热焓的简单应用场合。适合于需要较大样品量的场合。适合于样品有一定污染性、或对防腐蚀有特殊要求的场合NETZSCH Analyzing&TestingSTA:单 TG 传感器优点:优点:样品量大。平台型坩埚与气氛接触好。结构简单,不易污染。价格较经济(相比DSC、DTA)应用:应用:适合于
16、单热重测试的简单应用场合。大容积坩埚:适合于大样品量、或不均匀样品的场合平台型坩埚:适合于大体积样品,或气固反应(吸附解吸、氧化还原.)场合适合于有一定污染可能的高危样品测试。可配合使用 c-DTA 功能得到差热曲线。NETZSCH Analyzing&TestingTG209:标准传感器优点:优点:结构坚固。热电偶暴露部分少。耐腐蚀,使用寿命长。不足之处:不足之处:热电偶与坩埚为点接触。c-DTA 灵敏度低。应用:应用:绝大多数常规热重测试场合。NETZSCH Analyzing&TestingTG209:c-DTA 传感器优点:优点:传感器与坩埚为面接触。c-DTA 灵敏度高。不足之处:不
17、足之处:金属暴露面积较大。耐腐蚀性稍差。应用:应用:在热重测试的同时希望得到较好的差热信号的场合。升温速率与样品制备气氛支架的选择坩埚STC 模式DSC 基线的优化峰面积基线类型的选择TG 基线Maintenance and artifcats on LFA systems25热分析实验技巧NETZSCH Analyzing&Testing实验条件的选择实验条件的选择坩埚类型的选择Netzsch 提供最为全面的坩埚类型,适应各种不同的测试需要常用坩埚:Al,Al2O3,PtRh其它坩埚:PtRh+Al2O3,Steel,Cu,Graphite,ZrO2,Ag,Au,Quartz 等压力坩埚:低
18、压铝坩埚、中压坩埚,高压坩埚NETZSCH Analyzing&Testing常用坩埚特点普通 Al 坩埚传热性好,灵敏度、峰分离能力、基线性能等均佳温度范围较窄(600)常用于中低温型 DSC、高分子与有机物测试可用于比热测试对塑料的氧化有催化作用,有时用于氧化诱导期(O.I.T.)测试(针对一些经常与铜接触的塑料的测试,用以模拟实际应用)Cu 坩埚NETZSCH Analyzing&Testing常用坩埚特点适用:挥发性液体样品,液相反应,需要维持气体分压的封闭体系反应中压不锈钢坩埚最高使用压力为 20bar高压不锈钢坩埚最高使用压力为 100bar热阻较大,与普通铝坩埚性能有一定差异,可
19、能需单独校正。成本较高。高压坩埚需要配备专用制备工具。在温度较低、挥发物压力不太大时,推荐使用低压铝坩埚。不锈钢压力坩埚低压 Al 坩埚密闭型铝坩埚,承压能力 3 bar适合于蛋白、淀粉、生物质等含有一定水分的样品的测试,能避免水分挥发的干扰,测试一些微弱的转变。NETZSCH Analyzing&Testing缩聚反应测试:比较不同密闭坩埚的效果对于图中的缩聚反应测试而言,只有高压坩埚才能对 RT.240 的全过程进行完整的测量NETZSCH Analyzing&Testing样品适应面广,其灵敏度、峰分离能力、基线漂移等较PtRh差温度范围宽广(可用于高温1650)高温下量热精度较低,基线
20、漂移较大(坩埚材质半透明引起热辐射损耗)不适于测定比热易与部分无机熔融样品(如硅酸盐、氧化铁等)反应或扩散渗透常用坩埚特点Al2O3 坩埚PtRh 坩埚传热性好,灵敏度高、峰分离能力、基线性能佳温度范围宽广。适于测量比热。价格较昂贵。易与熔化的金属样品形成合金(使用无机标样标定!)1300以上与S型传感器有粘连可能(须加垫片)NETZSCH Analyzing&Testing常用坩埚特点PtRh+Al2O3 坩埚:PtRh 坩埚内嵌Al2O3 薄衬套。多用于金属样品的比热测定。也可代替 PtRh 坩埚测金属与合金样品的熔融。特别对于某些不宜使用 PtRh 坩埚测试、但较追求基线漂移小、量热精度
21、高的样品测试场合,使用此种坩埚效果较好。石墨坩埚:适合于某些合金(镁合金、铝合金、铜合金、锡合金)及碳材料的测试。对于这些合金能获得比氧化铝坩埚更好的量热效果。适合于比热测量。高温下必须使用惰性气氛保护。1000 以上须在坩埚与传感器之间加Al2O3垫片(此组合最高使用至1450)NETZSCH Analyzing&Testing坩埚选择要点中低温(恒温时的过冲。l 对于 TG209,以及 STA的 Pt、SiC 等炉体,炉体温度高于样品温度较多,若不用STC,程序中的终止温度需比期望样品达到的温度设高 2030l 对于 STA 的 Rh 炉,高温下样品温度反超炉体温度,若不用 STC,紧急复
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