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熱分析(TGA/DTA/DSC)技術(shù)知識入門篇!

 草蟲gg 2021-04-28

熱分析技術(shù)是在溫度程序控制下研究材料的物理或化學(xué)變化,如氧化、聚合、固化、硫化、脫水、結(jié)晶、熔融、晶格改變等,這些變化往往伴隨著熱力學(xué)性質(zhì)(如焓變、比熱、導(dǎo)熱系數(shù)等)的改變,故可通過測定其熱力學(xué)性能的變化,來了解各種無機和有機材料的物理或化學(xué)變化過程,是一種十分重要的分析測試方法。

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最常用的熱分析方法有:

熱質(zhì)量分析(Thermogravimetric analysis,TGA)

差熱分析(Differential analysis,DTA)

差示掃描熱量測定(Differential scanning calorimetry,DSC)

熱分析原理

TGA:這是一種通過改變溫度來測定物質(zhì)質(zhì)量的變化的分析方法。熱重分析主要研究在空氣或惰性氣氛材料的熱穩(wěn)定性、熱分解作用和氧化分解等物理化學(xué)變化。

DTA:在程序控溫條件下,測試樣品與參比物之間的溫度差隨時間變化的一種分析方法。主要用于熔化、結(jié)晶轉(zhuǎn)變、二級轉(zhuǎn)變、氧化還原反應(yīng)、裂解反應(yīng)等。

DSC:在程序控溫條件下,測量輸入到樣品與參比物的功率差(焓變反應(yīng)熱)隨時間或時間變化的一種分析方法;可用于測量包括高分子材料在內(nèi)的固體、液體材料的熔點、沸點、玻璃化轉(zhuǎn)變、熱容、結(jié)晶溫度、結(jié)晶度、反應(yīng)溫度、純度、反應(yīng)熱等。

影響因素

一、實驗條件

1.樣品盤的材料

一般采用惰性材料制備,如鉑、陶瓷等,但對于一些堿性試樣確不能采用石英和陶瓷樣品盤,他們間在升溫過程中會發(fā)生化學(xué)變化,影響熱分析曲線,特別是鉑金對很多有機化合物和某些無機物起催化作用,促進(jìn)發(fā)生不該發(fā)生的反映,也影響了熱分析曲線的真實性。

2.升溫速率

升溫速率有快慢之分,無論是快還是慢,對測定過程和結(jié)果均有著十分明顯的影響。

3.氣氛

若氣氛氣的導(dǎo)熱性良好,會有利于向體系提供更充分的熱量,提高分解反映的速率。氬氣、氮氣、氦氣這三種惰性氣體熱導(dǎo)率與溫度的關(guān)系是依次遞增的,因此,碳酸鈣的熱分解速率在氦氣中最快,在氮氣中次之,氬氣中更次。

4.儀器的靈敏度和分辨率

儀器的靈敏度與分辨率是一對矛盾體,要提高靈敏度必須提高升溫速率,加大樣品量;而要提高分辨率必須采用慢速升溫,減少樣品量。由于增大樣品量對靈敏度影響較大,對分辨率影響相對較小,而加快升溫速率對兩者的影響都大,因此在熱效應(yīng)微弱的情況下,通常選擇較慢的升溫速率(以保持良好的分辨率),并適當(dāng)增加樣品量來提高靈敏度。

二、 試樣特征

1.試樣用量

試樣用量小時能減小樣品內(nèi)的溫度梯度,所測溫度較為真實;有利于氣體產(chǎn)物擴散,減少化學(xué)平衡中的逆向反映;相鄰峰的分離能力增強、分辨率提高,單DSC的靈敏度會有所降低。

試樣量大時能提高DSC的靈敏度,但峰形變寬并向高溫漂移,相鄰峰(平臺)趨于合并,峰分離能力下降;且樣品內(nèi)溫度梯度較大,氣體產(chǎn)物的量增多,擴散變差。

一般保證靈敏度足夠時,取較少的試樣用量。

2.試樣狀態(tài)

試樣狀態(tài)一般分為粉末狀和塊狀兩種,粉末狀試樣相比于塊狀試樣具有比表面積大、活性強、反應(yīng)提前,但是導(dǎo)熱性能下降、反應(yīng)過程延長,峰寬增大,峰高下降。

DSC與DTA的區(qū)別

1.曲線的縱坐標(biāo)含義不同

DSC曲線的縱坐標(biāo)表示樣品的放熱或吸熱的速度,單位為Mw mg-1,又稱為熱流率,而DTA曲線的縱坐標(biāo)則表示溫差,單位為溫度℃(或K)。

2.DSC的定量水平高于DTA。試樣的熱效應(yīng)可直接通過DSC曲線的放熱峰和吸熱峰與基線所包圍的面積來度量,不過由于試樣和參比物與補償加熱絲之間總存在熱阻,使補償?shù)臒崃炕蚨嗷蛏俚漠a(chǎn)生損耗,因此峰面積得乘以一修正常數(shù)(又稱儀器常數(shù))方為熱效應(yīng)值。儀器常數(shù)可通過標(biāo)準(zhǔn)樣品來測定,即為標(biāo)準(zhǔn)樣品的焓變與儀器測得的峰面積之比,它不隨溫度、操作條件而變化,是一個恒定值。

3.DSC分析方法的靈敏度和分辨率均高于DTA,DSC中曲線是以熱流或功率差直接表征熱效應(yīng)的,而DTA則是用溫度差間接表征熱效應(yīng),因而DSC對熱效應(yīng)的相變更快、更靈敏、峰的分辨率更高。

TG-DSC聯(lián)用的優(yōu)點

1.一次實驗可同時獲得TG-DSC兩種曲線。

2.從不同側(cè)面共同反映物質(zhì)的變化過程,TG-DSC可同時搞清楚物質(zhì)的質(zhì)量和焓變在升溫過程中的變化情況。

3.可消除試樣的不均勻性,加熱條件和氣氛條件的差異以及人為的操作對實驗結(jié)果的影響。

4.精確方便地對溫度標(biāo)定。                                   

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