热分析技术
赵娜如 2009.11
热分析技术基本概述
仪 器 联 用
热分析技术
基 本 应 用 仪 器 控 制 原 理
国际热分析学会(ICTA)热分析定义：
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。
热分析概述
加热 热量变化 重量变化 物 质 温度变化 力学性能 尺寸体积 冷却 其他 DSC TG DTA DMA TMA
膨胀系数、体积变化、相转变温 度，应力应变关系测定重结晶效 应分析
一．热重法TG基本原理

热重法TG是在温度程序 控制下，测量物质质量 与温度之间关系的技 术． m=f(T)
二、DTA的基本原理
ΔT
Tw
+
TR
+
Ts
加热器
ΔT =Ts -TR
试样热电偶和参比热电偶是串联反 接的，组成差热电偶，当试样不发 生热效应时，试样温度和参比温度 是相同的，两支热电偶的热电势大 小相等，互相抵消，无信号输出， 当试样发生热效应时试样温度和参 比温度不相等， ΔT 不为0，两支 热电偶的热电势抵消不了，差式热 电偶就有信号输出，经过适当放 大，画出DTA峰。
DSC的应用
高分子材料 食品、生物、制药 陶瓷、玻璃、矿物 金属与合金 能源材料、火炸药
DSC
• • • • •
熔点 • 相转变 熔解热和结晶热 结晶度 • 氧化诱导期 比热 纯度 • 玻璃化温度
……
五、仪器操作
1. 开机 打开恒温水浴、STA449C主机、TASC414/4控制器与计算机电源。 一般在水浴与热天平打开2～3小时后，可以开始测试。 如果配有低温系统，打开冷却控制器CC200L电源。 打开Proteus软件。
差示扫描量热 法 DSC
热量
热重法 TG
程序控温条件下，测量在升温降 温和恒温过程中样品质量的变化
质量
动态机械法 DMA
程序控温条件下，测量材料的力 学性质随温度、时间、频率或应 力等改变而发生的变化量 程序控温条件下，测量在升温降 温和恒温过程中样品尺寸发生的 变化
力学性质
热机械法 TMA
尺寸、体积
示差扫描量热测定时记录的结果称之为 DSC曲线，其纵坐标是试样与参比物的功率差 dH/dt，也称作热流率，单位为毫瓦（mW）， 横坐标为温度（T）或时间（t）。 与在DTA曲线中，吸热效应用谷来表示， 放热效应用峰来表示所不同的是：在DSC曲线 中，吸热(endothermic)效应用凸起正向的峰表 示 (热焓增加)，放热(exothermic)效应用凹下的 谷表示(热焓减少)。
三、DSC 差示扫描量热仪基本原理
在程序温度（升／降／恒温及其组合）过程中，测量样 品与参考物之间的热流差，以表征所有与热效应有关的 物理变化和化学变化. 同步热分析仪（STA)将热重分析与差热分析结合为一体， 可同时得到热重及差热信号。
DSC 差示扫描量热仪基本原理
Furnace
Sample Refer.
六、DSC 测试结果的影响因素
基线的影响 温度和灵敏度校正文件 实验条件 样品的特性

测试结果的影响因素
基线的影响

基线是指在被测样品没有吸热和放热反应时，测量整个系统随温度
的变化

基线的重要性 样品产生的信号与样品池产生的信号必须加以区分； 样品池产生的信号依赖于样品池状况、温度等； 平直的基线是一切计算的基础 为了得到精确的数据，即使对于那些精确度相当高的DSC 仪也必须经常进行基线测定，以保证系统的准确度
DSC vs DTA
DTA 只能测试△T信号，无法建立△T与△H之间的联系。 DSC 测试△T信号，并建立△T与△H之间的联系。
四、热分析仪器主要结构
主要包括主机、控制器、电脑、恒温水浴装置等。
仪器主要结构
抽真空
传感器
加热炉 支架 气流 通道 自动马达升降系统
样品支架及坩埚

常用坩埚类型：Al, Al2O3, PtRh 特殊坩埚类型：PtRh+Al2O3, Steel, Cu, Ag, Au, Quartz 等
Q PR T
.
• 样品热效应引起参比与样品之间的热流不平衡
• 由于热阻的存在，参比与样品之间的温度差（ △T ）与热 流差成一定的比例关系。将△T 对时间积分，可得到热焓：
△T Q = λA △X
ΔH = K ∫ ΔTdt
0
t
K = f (温度,热阻, 材料性质,…)

•差示扫描量热法(DSC)是在程序控温下， 测量物质和参比物之间的能量差随温度变 化关系的一种技术（国际标准ISO 11357-1）。 根据测量方法的不同，又分为功率补偿型 DSC和热流型DSC两种类型。常用的功率 补偿DSC是在程序控温下，使试样和参比 物的温度相等，测量每单位时间输给两者 的热能功率差与温度的关系的一种方法。
基线测试完成后，可进行样品测试。 首先进行样品制备，先将空坩埚放在天平上称重，去皮（清 零），随后将样品加入坩埚中，称取样品重量。 称重可使用外部天平，其精度至少应达到0.01mg。也可使用仪 器本身作为称重天平。 将装有样品的坩埚放入炉体内，关闭炉体，点击“编辑”菜单下的 “测量向导”，在弹出的“STA449C测量向导”对话框中选择测量模式为 “样品+修正”，输入样品名称、编号与样品质量。 进行测量。
2. 气体
确认测量所使用的吹扫气情况。（常用的吹扫气有N2、 Ar、air、O2…）
3. 基线测试（浮力效应修正）
（若已有原先做好的基线文件，可跳过此步骤）
放坩埚 准备一对重量相近的干净的空坩埚，分别作为参比坩埚与样品坩埚放到 支架上。坩埚是否加盖视后面的样品测试需要而定。关闭炉体。
4. 样品测试
热分析概述
热分析方法 差热分析法 DTA 定义 程序控温条件下，测量在升温降 温和恒温过程中样品和参比物之 间的温度差 程序控温条件下，直接测量样品 在升温降温和恒温过程中吸收或 释放出的热量 测量参数 温度 应用范围 鉴别物质，熔化及结晶转变和二 级相变，氧化还原反应和裂解反 应的分析研究，主要用于定性表 征 分析和研究范围与DTA大致相同， 但是能够定量测定多重热力学和 动力学参数，如比热、反应热、 转变热和反应速度以及高聚物结 晶度等 熔点、沸点测定，热分解反应过 程中分解与脱水量测定；生成挥 发物质的固相反应分析，固体与 气体反应分析 阻尼特性、固化、胶化、玻璃化 等转变分析、模量、粘度测定等