热分析概述.ppt
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1、1.1.热分析概述热分析概述2.2.热重分析热重分析4.4.差示扫描量热法差示扫描量热法3.3.差热分析差热分析5.5.热分析联用技术热分析联用技术 第六章 热分析1/5/20231 主要参考书目主要参考书目v热分析,李余增,清华大学出版社热分析,李余增,清华大学出版社v现代仪器分析,杜廷发,国防科技现代仪器分析,杜廷发,国防科技大学出版社大学出版社v热分析及其应用,陈镜泓,科学出热分析及其应用,陈镜泓,科学出版社版社v材料结构表征及应用,吴刚,化学材料结构表征及应用,吴刚,化学工业出版社工业出版社1/5/202321.热分析概述热分析概述 定义定义 热热分分析析是是在在程程序序控控制制温温度
2、度下下,测测量量物物质质的的物物理理性性质质与与温温度度关关系系的的一一类类技技术术。国国际际热热分分析析协协会会ICTA(International Confederation for Thermal Analysis)所所谓谓“程程序序控控制制温温度度”是是指指用用固固定定的的速速率率加加热热或或冷冷却却,所所谓谓“物物理理性性质质”则则包包括括物物质质的的质质量量、温温度度、热热焓焓、尺尺寸寸、机机械械、电电学学及及磁磁学学性质等。性质等。1/5/20233判定某种有关热学方面的技术是否属于热分析技术应该具备以下三个条件:测测量量的的参参数数必必须须是是一一种种“物物理理性性质质”,包包
3、括括质质量量、温温度度、热热焓焓变变化化、尺尺寸寸、机机械械特特性性、声声学学特特性性、电学及磁学特性等。电学及磁学特性等。测测量量参参数数必必须须直直接接或或者者间间接接表表示示成成温温度度的的函函数数关关系。系。测测量量必必须须在在程程序序控控制制的的温温度度下下进进行行,程程序序控控制制温温度度一一般般指指线线性性升升温温或或者者线线性性降降温温,也也包包括括恒恒温温、非线性升、降温。非线性升、降温。u“物物质质”指指试试样样本本身身和和(或或)试试样样的的反反应应产产物物,包括中间产物。包括中间产物。1/5/20234热热分分析析起起始始于于1887午午,德德国国人人H.Lechate
4、lier用用一一个个热热电电偶偶插插入入受受热热粘粘土土试试样样中中,测测量量粘粘土土的的热热变变化化;所所记记录录的的数数据据并并不不是是试试样样和和参参比比物物之之间的温度差。间的温度差。1899年年,英英 国国 人人 Roberts和和 Austen改改 良良 了了Lechatelier装装置置,采采用用两两个个热热电电偶偶反反相相连连接接,采采用用差差热热分分析析的的方方法法研研究究钢钢铁铁等等金金属属材材料料。直直接接记记录录样样品品和和参参比比物物之之间间的的温温差差随随时时间间变变化化规规律律;首首次次采采用用示示差差热热电电偶偶记记录录试试样样与与参参比比物物间间产产生生的的温
5、温度度差差这这即即目目前前广广泛泛应应用用的的差差热热分分析析法的原始模型法的原始模型。发展史1/5/202351915年年日日本本的的本本多多光光太太郎郎提提出出了了“热热天天平平”概概念念并并设设计计了了世世界界上上第第一一台台热热天天平平(热热重重分分析析);测测定定了了MnSO4.4H2O等等无无机机化化合合物物的的热热分分解解反反应。应。二二十十年年代代,差差热热分分析析在在粘粘土土、矿矿物物和和硅硅酸酸盐盐的的研研究究中中使使用用得得比比较较普普遍遍。从从热热分分析析总总的的发发展展来来看看,四四十十年年代代以以前前是是比比较较缓缓慢慢的的例例如如热热天天平平直直到到四四十十年年代
6、代后后期期才才用用于于无无机机重重量量分分析析和和广广泛泛应用于煤炭高温裂解反应。应用于煤炭高温裂解反应。20世世纪纪40年年代代末末商商业业化化电电子子管管式式差差热热分分析析仪仪问问世世,60年年代代又又实实现现了了微微量量化化。1964年年,Watson和和ONeill等等人人提提出出了了“差差示示扫扫描描量量热热”的的概概念念,进进而而发发展展成成为为差差示示扫扫描描量量热热技技术术,使使得得热热分分析析技术不断发展和壮大。技术不断发展和壮大。1/5/20236分分 类类热热分分析析方方法法的的种种类类是是多多种种多多样样的的,根根据据ICTA的的归归纳纳和和分分类类,目目前前的的热热
7、分分析析方方法法共分为共分为9类类17种。种。1/5/20237ICTA对热分析技术的分类物理物理性质性质分析技术名称分析技术名称简称简称物理性质物理性质分析技术名称分析技术名称简称简称1.质量质量1)热重法)热重法TG3.热焓热焓9)差示扫描量热法差示扫描量热法DSC2)等压质量变化)等压质量变化测定测定4.尺寸尺寸10)热膨胀法热膨胀法3)逸出气体检测逸出气体检测EGD 5.力学特性力学特性11)热机械分析热机械分析TMA4)逸出气体分析逸出气体分析EGA12)动态热机械分析动态热机械分析DMA5)放射热分析放射热分析6.声学特性声学特性13)热发声法热发声法6)热微粒分析热微粒分析14)
8、热声学法热声学法2.温度温度7)加热曲线测定加热曲线测定7.光学特性光学特性15)热光学法热光学法8)差热分析差热分析DTA8.电学特性电学特性16)热电学法热电学法9.磁学特性磁学特性17)热磁学法热磁学法1/5/20238应应 用用在在上上述述热热分分析析技技术术中中,热热重重法法、差差热热分分析析以以及差示扫描量热法应用的最为广泛。及差示扫描量热法应用的最为广泛。研研究究物物理理变变化化(如如晶晶型型转转变变、熔熔融融、升升华华、吸吸附附等等)和和化化学学变变化化(脱脱水水、分分解解、氧氧化化和和还原等)。还原等)。范范围围:无无机机物物(金金属属、矿矿物物、陶陶瓷瓷材材料料等等)有有机
9、机物物、高高聚聚物物、药药物物、络络合合物物、液液晶晶和和生物高分子等。生物高分子等。应应用用领领域域:化化学学化化工工、冶冶金金、地地质质、物物理理、陶陶瓷瓷、建建材材、生生物物化化学学、药药物物、地地球球化化学学、航天、石油、煤炭、环保、考古、食品等。航天、石油、煤炭、环保、考古、食品等。1/5/20239热分析的应用类型热分析的应用类型1.成份分析:无机物、有机物、药物和高聚物的鉴别和分析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。3.化学反应的研究:比如固-气反应研究、催化性能测定、反应动力学研究、反应热测定、相变和结晶过程研究。1/5/202310热分析的
10、应用类型热分析的应用类型4.材料质量测定:如纯度测定、物质的玻璃化转变和居里点、材料的使用寿命测定。5.材料的力学性质测定:抗冲击性能、粘弹性、弹性模量、损耗指数和剪切模量等的测定。6.环境监测:研究蒸汽压、沸点、易燃性等。1/5/2023112.热重法热重法(Thermogravimetry TG)定义:在程序控制温度下,测量物质定义:在程序控制温度下,测量物质质质量量与与温度温度关系的一种技术。关系的一种技术。m=f(T)是使用最多、最广泛的热分析技术。是使用最多、最广泛的热分析技术。类型:类型:两种两种1.等温(或静态)热重法:恒温等温(或静态)热重法:恒温2.非等温(或动态)热重法:程
11、序升温非等温(或动态)热重法:程序升温1/5/202312由由TG实实验验获获得得的的曲曲线线。记记录录质质量量变变化化对对温温度度的关系曲线。的关系曲线。纵纵坐坐标标是是质质量量(从从上上向向下下表表示示质质量量减减少少),横横坐标为温度或时间。坐标为温度或时间。热重曲线(热重曲线(TG曲线)曲线)1/5/202313微商热重曲线微商热重曲线(DTG曲线)曲线)从从 热热 重重 法法 可可 派派 生生 出出 微微 商商 热热 重重(Derivative Thermogravimetry),它它是是TG曲曲线线对对温温度度(或或时时间间)的的一一阶阶导数。导数。纵坐标为纵坐标为dW/dt 横坐
12、标为温度或时间横坐标为温度或时间1/5/202314DTG曲线曲线1/5/202315TG特点特点定定量量性性强强,能能准准确确地地测测量量物物质质的的质质量量变变化化及及变变化化的的速速率率,不不管管引引起起这这种种变变化化的的是化学的还是物理的。是化学的还是物理的。1/5/2023162.1 基本原理基本原理TG与与DTG的的测测量量都都要要依依靠靠热热天天平平,主主要要介介绍绍热天平及热重测量的原理。热天平及热重测量的原理。热热天天平平是是实实现现热热重重测测量量技技术术而而制制作作的的仪仪器器,它它是是在在普普通通分分析析天天平平基基础础上上发发展展起起来来的的,具具有有一一些些特特殊
13、殊要要求求的的精精密密仪仪器器:(1)程程序序控控温温系系统统及及加加热热炉炉,炉炉子子的的热热辐辐射射和和磁磁场场对对热热重重测测量量的的影影响响尽尽可可能能小小;(2)高高精精度度的的重重量量与与温温度度测测量量及及记记录录系系统统;(3)能能满满足足在在各各种种气气氛氛和和真真空空中中进进行行测测量量的的要要求求;(4)能能与与其其它它热热分分析析方法联用。方法联用。1/5/202317根根据据试试样样与与天天平平横横梁梁支支撑撑点点之之间间的的相相对对位位置置,热热天天平平可可分分为为下下皿皿式式,上上皿皿式式与与水平式三种。水平式三种。热天平种类热天平种类1/5/202318热天平测
14、量原理热天平测量原理 1/5/202319热天平测量原理热天平测量原理当当天天平平左左边边称称盘盘中中试试样样因因受受热热产产生生重重量量变变化化时时,天天平平横横梁梁连连同同光光栏栏则则向向上上或或向向下下摆摆动动,此此时时接接收收元元件件(光光敏敏三三极极管管)接接收收到到的的光光源源照照射射强强度度发发生生变变化化,使使其其输输出出的的电电信信号号发发生生变变化化。这这种种变变化化的的电电信信号号送送给给测测重重单单元元,经经放放大大后后再再送送给给磁磁铁铁外外线线圈圈,使使磁磁铁铁产产生生与与重重量量变变化化相相反反的的作作用用力力,天天平平达达到到平平衡衡状状态态。因因此此,只只要要
15、测测量量通通过过线线圈圈电电流流的的大大小小变变化化,就就能知道试样重量的变化。能知道试样重量的变化。1/5/202320设设试试样样质质量量为为m,则则其其所所受受重重力力为为F1=mg,而而线线圈圈中中电电流流I在在磁磁场场作作用用下下对对磁磁铁铁的的作作用用力力为为:F2=nBI (n为为线线圈圈匝匝数数,B为为磁场强度磁场强度),天平平衡时,天平平衡时,若若将将此此电电流流输输送送给给记记录录仪仪记记录录下下来来,可可获获得得试试样样质质量量随随温温度度的的变变化化曲曲线线,即即TG曲线。曲线。1/5/2023212.2 热重与微商热重曲线热重与微商热重曲线TG曲曲线线:理理想想的的T
16、G曲曲线线是是一一些些直直角角台台阶阶,台台阶阶大大小小表表示示重重量量变变化化量量,一一个个台台阶阶表表示示一一个个热热失失重重,两两个个台台阶阶之之间间的的水水平平区区域域代代表表试试样样稳稳定定存存在在的的温温度度范范围围,这这是是假假定定试试样样的的热热失失重重是是在在某某一一个个温温度度下下同同时时发发生生和和完完成成,显显然然实实际际过过程程是是不不存存在在的的,试试样样的的热热分分解解反反应应不不可可能能在在某某一一温温度度下下同同时时发发生生和和完完成成,而而是是有有一一个个过过程程。在在曲曲线线上上表表现现为为曲曲线线的的过过渡渡和和斜斜坡坡,甚甚至至两两次次失失重重之之间间
17、有重叠区。有重叠区。1/5/2023221/5/202323纵坐标:dw/dT(dw/dt),横坐标T或者t1/5/202324AB段:热重基线段:热重基线B点:点:Ti 起始温度起始温度C点:点:Tf 终止温度终止温度D点点:Te外外推推起起始始温温度度,外外推推基基线线与与TG线线最最大大斜斜率率切切线线交点。交点。DTG曲线上出现的各种峰对应着曲线上出现的各种峰对应着TG线的各个线的各个重量变化阶段。重量变化阶段。1/5/2023251/5/2023261/5/202327DTG曲线的优点能能准准确确反反映映出出起起始始反反应应温温度度Ti,最最大大反反应应速速率率温度温度Te和和Tf。
18、更更能能清清楚楚地地区区分分相相继继发发生生的的热热重重变变化化反反应应,DTG比比TG分辨率更高。分辨率更高。DTG曲曲线线峰峰的的面面积积精精确确对对应应着着变变化化了了的的样样品品重重量,较量,较TG能更精确地进行定量分析。能更精确地进行定量分析。能能方方便便地地为为反反应应动动力力学学计计算算提提供供反反应应速速率率(dw/dt)数据。数据。DTG与与DTA具具有有可可比比性性,通通过过比比较较,能能判判断断出出是是重重量量变变化化引引起起的的峰峰还还是是热热量量变变化化引引起起的的峰峰。TG对此无能为力。对此无能为力。1/5/202328例例例例:含含含含有有有有一一一一个个个个结结
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