23冯飞 差热分析仪及其应用.doc

差热分析仪及其应用冯飞（材料化工部，09轧钢2班03号）摘要：差热分析仪是在程序控制温度下，测量物质与参比物之间的温度差与温度的函数关系的一种仪器，是研究细小的粘土矿物和含水矿物的必不可少的工具。由于任何物质从超低温到超高温按一定程序控制，总是有热效应的，而且不止一个，这就成了表征物质变化过程的特征图谱。因此差热分析仪广泛应用于物理、化学、化工、石油、冶金、地质、建材、纤维、塑料、橡胶、有机、无机、低分子、高分子、食品、地球化学、生物化学等各个领域。关键词：差热分析仪；必不可少的工具；各个领域0 引言热分析仪在科学仪器中既是一类发展很早的分析仪器，又是一个新兴分析仪器。它是石化、化工和环保实验室常用的一种实验仪器1。从热分析技术的应用来看，19世纪末到20世纪初，差热分析法主要用来研究粘土、矿物以及金属合金方面。到20世纪中期，热分析技术才应用于化学领域中。起初应用于无机物领域，而后才逐渐扩展到络合物、有机化合物和高分子领域中。现在，已成为研究高分子结构与性能关系的一个相当重要的工具。在20世纪70年代初，又开辟了对生物大分子和食品工业方面的研究，从80年代开始应用于胆固醇和前列腺结石的研究以及检测解毒药的分析、药品熔点的测定、药品多晶型的测定、药品溶剂化物、水分的测定、相容性和稳定性测定，所以热分析在药品检测和新药研制中有着举足轻重的作用2。1 热分析仪器及其实际使用特点1.1 差热仪进行差热分析的仪器为差热分析仪，由加热炉、试样容器、热电偶、温度控制系统及放大、记录系统等部分组成3。其功能是在程序控制温度下, 测量输入到物质和参比物的功率差与温度的关系4。适宜于测定聚合物（如PE、PP-R）的氧化诱导期、外延起始点温度、焓变量、玻璃化转变温度、焓变比率等。1.2 热分析技术的原理热分析的原理出自铁碳平衡相图，它给出了铁液成分与凝固过程中相变温度之间的定量关系。铁液凝固相变温度又与铸件成型后的各项物理性能存在一定的关系。热分析仪就是通过这种关系进行金属材料各项性能指标的预测，通过调整铁液中主要的碳、硅含量，得到不同的铸件组织性能5。1.3 差热分析仪分析原理将待测试样和参比物（热惰性物质）置于同一条件的炉体中，按给定程序等速升温或降温，当加热试样在 差热分析仪不同温度下产生物理、化学性质的变化（如相变，结晶构造转变，结晶作用，沸腾，升华，气化，熔融，脱水，分解，氧化，还原及其他反应）时，伴随吸热或放热，试样自身的温度低于或高于参比物质的温度，即两者之间产生温差。温差的大小（反应前和反应后二者的温差为零）和极性由热电偶检测，并转换为电能，经放大器放大输入记录仪，记录下的曲线是差热曲线。差热分析仪是研究细小的粘土矿物和含水矿物的工具5。图1 仪器工作原理示意图1.3.1 差热分析仪的性能与特点试样S 和参比物R 分别装在两坩埚内，在坩埚下各有一个热电偶，这两个热电偶相互反接。对试样和参比物同时进行程序升温，当加热到某一温度，试样发生放热或吸热时，试样温度TS会高于或低于参比物温度TR产生温差，该温差T 就会由上述两个反接的热电偶以差热电势形式输给差热放大器，经放大后输入记录仪，得到差热曲线；另一方面从差热电偶参比物一侧取出的与参比物温度TR对应的信号，经冷端补偿后送记录仪得温度曲线6。差热分析仪能测试基准物内部的温度及基准物与待测物的温差7。由于它的快速加热以及快速冷却，它可以在各种领域内广泛使用。其特点有以下几点：（1）小型化炉体；（2）可快速升、降温；（3）高分辨率A/D（24 bit）数据采集；（4）智能化自适应单片微处理机的温度控制系统；（5）测温和控温采用Pt100铂电阻，温度读数精度高，长期恒温精度可达0.1；（6）采用数字气体质量流量计由计算机控制气路的切换和流量大小；（7）高精度低漂移微伏放大器；（8）操作方法简单，无需面板操作，全部在计算机界面操作；（9）可自动放大DSC量程和时间量程；2 差热分析仪的实际应用 （1）成分分析。无机物、有机物、药物和高聚物的鉴别和分析及其他的性质研究。热分析法以其分析速度快、样品用量少、准确、重现性好、分辨力高等优点已成为药物质量控制中的常用方法之一。药品检验用的热分析方法主要是DTA 或DSC 及TG。美、英、日等国早已把热分析方法列入药典，作为药品质量检验的方法之一。国内在这方面也做了一定的工作，但至今未列入药典，魏觉珍等人完成了常用药品热分析图谱集，给出了近250种药品和辅料的热分析和热重分析曲线及相关数据。唐万军、陈栋华等用热分析的方法探讨了药物的热稳定性、热分解机理，并用热分析动力学的方法来预测药物的贮存期并建立了相关的数学模型，可望为药物的贮存期的预测找到一种快速、简洁的分析方法。（2）材料研制和应用开发。材料研制和应用开发是热分析应用的主要领域，这不仅仅是因为热性能是材料的主要性能，而是因为应用热分析方法能为材料的研制和开发提供许多有用的信息，使工作事倍功效，材料物质纯度的测定、物质的玻璃化转变和居里点、材料的使用寿命预测、液晶的相变等等都离不开热分析。（3）化学反应的研究。自然界中发生的物理变化、化学变化和生物新陈代谢过程的变化，常常伴随着能量的变化，其中一部分以热效应的形式表现出来，通过测定物质反应过程中发生的物理或化学变化，如质量的变化、吸收和放出的热量等可以计算和推断反应的动力学等等。其中微量热法和差示扫描量热法及热重法是研究热动力学的主要研究手段。主要应用在简单级数反应、复合反应、化学振荡反应、酶促反应、微生物生长及药物对微生物抑制作用、组织细胞和细胞器、植物生长过程、化学工程和生化工程等领域的动力学研究 8 。无机物的脱水、分解、降解和配合物的解离，高聚物的聚合、固化、结晶、降解等等都离不开热分析。（4）环境监测。通过测定环境中的各种变化，如含能材料的测定及其一些废弃物的危险性评价。在环保领域进行铬对土壤中有机物质生物降解影响的量热分析，利用热分析结合萃取和重液分离部分确定空气悬浮微粒中碳元素和可溶、难溶有机物的总量等。（5）稳定性的测定。通过测定一些变化来评定物质的稳定性，如功能材料的热稳定性，药物的稳定性等等。（6）微量物证检验。微量物证是与罪证有关联、能认定犯罪事实的、物小量小的细微物质, 可用于热分析的微量物有：纺织品、粘接剂、泥土、油脂、塑料、橡胶、油漆以及金属碎粒、爆炸残留物、化妆品和农药等等8。3 展望随着社会生产的发展和科学技术的进步，特别是以计算机科学为前导的信息科学、材料科学和生命科学的日新月异，热分析仪在实验自动化、进样微量化、信号高灵敏化以及多种分析手段联用方面取得较大进展，热分析法是在程序控制温度下，测量物质的物理性质与温度关系的一种技术9。热分析技术在药品检验中有着广泛的应用。在新药研制、中间体检测、处方最佳配方的选择、药物稳定性的预测、药物质量的优劣的评价等方面，起着举足轻重的作用10。是研究材料热性能最重要的工具,其发展趋势有下几个方面：（1）微量化。从客观条件而言，更精密的电子天平的出现及测温手段的改进，为热分析仪的微量化创造了条件。例如：梅特勒·托多利TGA /SDTA851e型热重分析仪的重量灵敏度为0.1ug，温度准确度为±0.25 ，梅特勒一托多利822型差示扫描量热仪热量精度0.04uw，温度准确度为±0.01。现代热分析仪的高灵敏度为各种微量样品的热力学数据的测定提供了条件。（2）自动化。由于计算机技术的发展与各种应用软件的开发，使热分析仪从实验条件的选择到数据的处理全部由计算机控制，热分析仪高度自动化并可获得精确的实验结果。梅特勒托多利TGA /SDTA851e型热重分析仪可采用自动进样器自动进样(多至34个样品)。（3）多元化。和其他分析手段一样，有时靠单一热分析技术并不能得出正确的分析结果，往往需要几种热分析技术或者热分析和其他技术如色谱、质谱等的联用或结合才能得到有价值的资料。现代热分析的分解产物可与质谱(MS)、傅立叶红外( FTIR)仪或气相色谱仪偶联分析。如德国NETZSCH公司生产的热重分析仪TG209 和综合分析仪STA 系列，便可与红外光谱、色谱或质谱等联用。（4）研究领域不断扩展。随着新的学科和材料工业的不断发展，热分析研究的物质由无机物 (金属、矿物、陶瓷材料等) 逐步扩展到有机物、高聚物、络合物、液晶和生物高分子等。热分析法不仅能得到程序控制温度的条件下的焓变、重量变化、物态变化，从而推导出可能的变化过程，还能得到速率的动力学信息，使热分析法研究物质的静态信息而转向动态过程。由静态向动态的转变对现实以及理论都有重大意义。（5）技术的创新。随着科学技术的发展，不断有新的热分析方法出现，如“控制转化速率热分析法 ( CRTA 法)”、温度调制热分析技术中的MDSC、DDSC、MTGA法，u-热分析等等7。4 结语随着社会发展和科学技术的进步，特别是以计算机科学为前导的信息科学、材料科学和生命科学的日新月异，差热分析仪在实验自动化、进样微量化、信号高灵敏化以及多种分析手段联用方面取得了较大进展，在生产和实验中的低位越来越重要。参考文献1 刘明查，壅圭查，刘月婷，等. TG-DTA-DSC差热分析仪温度检测部分故障及排除方法J.分析测试仪器通讯. 1997，3.（4）:245-246.2 王家龙，骆东淼，姜著成.我国热分析仪的现状和发展J. 中国仪器仪表.2008，(10)：28-30.3 凌 霞.热分析仪的标定J.塑料制造. 2009：76-77.4 梅新勇, 高锦宏, 徐小力. 对传统差示热分析仪(DSC)的改进方法J. 北京机械工业学院学报.2005，3. (20):35-37.5 刘长起,王学华.热分析仪器使用过程中应注意的问题M. 铸造质量控制专辑.2006:15-16.6 梁向晖，钟伟强. 热重差热联用热分析仪SDTQ600的特点及维护J. 现在仪器. 2007，(6):72-74.7 唐爱东,关鲁雄,董子,等.差热分析仪的改进J. 大学化学. 1999，3.（14）:44-458 胡小安，管春平，王浩华.热分析的现状及进展J. 楚雄师范学院学报.2005，20.(3):37-40.9 邓晓燕.利用综合热分析仪研究纳米金属材料的热稳定性J. 分析仪器. 2009，(5):48-51.10 闫立东. Diamond TGDTA6300综合热分析仪应用过程中的几点研究J. 化工中间体.2005，(10):24-26.文献综述评分表学生姓名 冯飞 班级 09轧2 学号 200915050203 文献综述完成时间 2012 年 4 月文献综述题目 差热分析仪及其应用 引用文献情况： 10 篇；文献时间跨度 1997 年 2009 年序号评 分 内 容满分实际得分1是否全面收集了有关的文献资料152是否充分分析和描述了本研究领域前人已经做了哪些工作，进展到何程度，有无主要遗漏253是否对相关研究的动态、前沿性问题做出较详细的综述254层次是否分明，格式是否规范，图表是否清晰155是否能预示今后可能的发展趋势及研究方向156行文是否流畅，综述能力如何5总分100评阅教师（签名） 年 月 日