热分析技术及其应用

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1、热分析技术及其应用上海交通大学化学化工学院朱子康2009.4热分析技术•引言：定义、分类、发展•基本原理：TG、DTA、DSC、TMA•影响测试结果的因素•应用：金属、高分子、化学反应动力学与反应机理研究引言热分析的定义：在程序控温下测量物质的物理性质与温度关系的一类技术引言：热分析技术分类物理性质热分析技术名称简称质量热重法TG温度差热分析DTA热量差示扫描量热法DSC力学特性热机械分析TMA动态热机械法DMA其它特性热光学法(photo-DSC)热电学法(热刺激电流法)TSC热磁学法、热发声法等热刺激电流法(TSC)图谱薄膜试样程序升温→Tg附近→加电场→极化→降至室温→去除电场→再

2、程序升温并测定其释放的电信号(a)PC(b)PMMA(c)PET(d)PS引言：热分析技术的应用范围（A：最适用B：可用C：某些样品可用）应用范围TGDTADSCTMADMA相转变、熔融、凝固—BAC—吸附、解吸ABA——裂解、氧化还原ABA——相图绘制BAA—B纯度测定—BA——热固化—BBB—软化温度——CAC结晶过程—BABB比热测定—BA——引言：热分析技术应用范围（续）应用范围TGDTADSCTMADMA耐热性测定AAABB升华蒸发速率测定ABA——膨胀系数———A—粘度———A—粘弹性———AA组份分析ABA—C催化研究、液晶—BA——煤、能源、地球化学AAB——生物化学CB

3、A——海水资源BBA——按研究问题分类统计按研究物质的分类统计按热分析方法分类基本原理:TG（DTG）•测量试样在温度程序控制（等速变温、恒温）下其重量随温度（时间）的变化聚合物单体——挥发（PMMA）聚合物热分解断裂成小分子——挥发（PE）介于两者之间（PS）挥发——重量变化——TG可分析研究TG原理图TG（DTG）的工作曲线DTA的基本原理•概述在加热或冷却的过程中试样由于化学、物理变化产生热效应使试样温度变化，以差示法测定其变化T=T—T记录T~温度T或时间tSRT为试样温度T为参照物温度SR差热分析（DTA）原理图DTA的工作曲线DSC的基本原理•工作原理：测量输入到试样或参照物

4、的能量随温度（或时间）的变化•工作特点：工作曲线的形状与DTA相同可以定量研究各种热效应DSC的基本原理•工作过程：试样和参照物程序升（降）温试样产生物理或化学变化,放出或吸收热量试样与参照物之间产生温度差ΔT控制系统动作使低温侧补偿器（电热丝）通电加热维持试样与参照物之间温度差=0记录补偿的热量W与试样温度的关系差示扫描量热法DSC原理图DSC的工作曲线(PP在不同降温速率下的结晶曲线)Photo-DSC工作原理•在DSC的基础上•试样在设定温度下照射紫外光时•测定：光照射时间(t)~光化学反应热效应的关系•主要用来研究光化学体系的反应性能–光引发剂的引发性能–光反应体系基体树脂的光反

5、应性能–光化学反应的转化率~时间的关系–光化学反应的反应速度~转化率的关系Photo-DSC工作曲线25℃下光照3min，光强50mw/cm2，50ml/min氮气保护2520PTXPMPTXP1510Heatflow(mw/mg)PTXPC50060120180Time(s)Photo-DSC曲线的应用0.0350(a)(b)40PTXPMPTXPMPTXPC0.02)30-1PTXPPTXP(spR200.01Conversion(%)PTXPC100.00001020304050060120180Conversion(%)Time(s)TMA（DMA）基本原理•TMA：测定试样在恒

6、定作用力下程序温度变化时，试样一维尺寸随温度的变化。•DMA：测定试样在动态作用力下程序温度变化时试样的动态力学性能（模量、力学损耗）随温度的变化。TMA（DMA）原理图TMA和DMA的工作曲线TMADMA热分析仪器的发展•更大的测试温度范围低温：-200℃；高温：2400℃•更高的测试灵敏度TG：0.1μg；DSC：0.1μw•更宽的温度变化速率0.001℃/分；300℃/分•同步热分析仪TG—DTA；TG—DSC同步测定•热分析仪的联用TG—气相色谱；TG—红外；TG—质谱DSC—X衍射影响试验结果的因素•试样状况:•试验条件：颗粒尺寸、粒度加热（冷却）速率试样质量使用坩埚的状况试样

7、装填情况试验气氛、流量试样的热传导性仪器特性试样的热容量试样的热历史状况热分析技术应用简介•在金属材料中的应用•在有机及高分子材料中的应用•在化学反应动力学以及反应机理研究中的应用在金属材料中的应用1.相图的绘制(理想二组份共晶相图)2.居里点的测定（DSC）3.金属氧化腐蚀性能测定4.金属材料的熔点测定5.铁水成分测定及性能预报热分析法依据的原理是：液态合金在冷却过程中所发生的任何一种相变(包括初晶析出的液相转变和共晶结晶转变)，