岛津DTG-60H热分析实验

一．  实验原理

热分析（thermal analysis）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类技术，在加热和冷却的过程中，随着物质的结构、相态和化学性质的变化，通常伴有相应的物理性质的变化，包括质量、温度、热量以及机械、声学、电学、光学、磁学等性质，依此构成了相应的各种热分析测试技术。表1列出了几种主要的热分析法及其测定的物理化学参数和有关仪器。其中最具代表性的三种方法：热重法（TG），差热分析（DTA），差示扫描量热法（DSC）。

表1 热分析中的主要测定方法

本实验使用的岛津DTG-60H是一类差热（DTA）—热重（TG）同步测定装置。

热重法（Thermalgravimetry, TG）是在程序控制温度下，测量物质的质量和温度关系的一种技术。热重法记录的是热重曲线（TG曲线），它是以质量作纵坐标，从上向下表示质量减少；以温度（T）或时间（t）作横坐标，自左向右表示增加。用于热重法的仪器是热天平，它连续记录质量和温度的函数关系。热天平一般是根据天平梁的倾斜与质量变化的关系进行测定的，通常测定质量变化的方法有变位法和零位法两种。变位法利用质量变化与天平梁的倾斜成正比关系，用直接差动变压器检测。零位法根据质量变化引起天平梁的倾斜，靠电磁作用力使天平梁恢复到原来的平衡位置，所施加的力与质量变化成正比。DTG-60H采用的为变位法。只要物质受热时发生质量的变化，就可用热重法来研究其变化过程。其应用可大致归纳成如下几个方面：（1）了解试样的热（分解）反应过程，例如测定结晶水、脱水量及热分解反应的具体过程等；（2）研究在生成挥发性物质的同时所进行热分解反应，固相反应等；（3）用于研究固体和气体之间的反应；（4）测定熔点、沸点；（5）利用热分解或蒸发、升华等，分析固体混合物。图1为在相同实验条件下测得的聚氯乙烯（PVC），聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA），高压聚乙烯（HPPE），聚四氟乙烯（PTPE）和芳香聚四酰亚胺（PI）的热重曲线。它们不仅提供了高聚物分解温度的信息，也很简便地比较了高聚物的热稳定性。

差热分析（Differential thermal analysis, DTA）是在程序控制温度下，测量试样与参比物（一种在测量温度范围内不发生任何热效应的物质）之间的温度差与温度关系的一种技术。在实验过程中，可将试样与参比物的温差作为温度或时间的函数连续记录下来：

⊿T = ? （T或t）

由于试样和参比物的测温热电偶是反向串联（见图2），所以当试样不发生反应，即试样温度（T_s）和参比温度（T_r）相同时，⊿T = T_s — T_r = 0，相应的温差电势为0。当试样发生物理或化学变化而伴有热的吸收或释放时，则⊿T≠ 0，相应的温差热电势讯号经放大后送入记录仪，得到以⊿T为纵坐标，温度为横坐标的差热曲线（DTA曲线），如图3所示其中

基线相当于⊿T = 0，试样无热效应产生；向上和向下的峰反映了试样的放热、吸热过程。图4为吸热反应中试样的真实温度和试样与参比物温差⊿T的比较，从试样温度曲线可见，

吸热过程开始于A点。此时由于试样吸收热量，体系温度偏离直线而落后于炉温。达到B点时，反应基本完成。随后体系温度逐渐上升，至C点再回到炉温。至于温差曲线，显然更为清晰明显。由图可见，⊿T开始于A点，其最大值（峰点）则在B点，至C点又回到基线。 采用⊿T作检测量，比单纯用实验温度更为理想，因为这样能更好地确定峰点位置。如果是放热反应，将得到类似的差热峰形，只是差热峰处于与吸热峰相反的方向。

将不同体系的吸热和放热的原因归纳于表2，供判断差热峰的产生机理时参考。

表2 差热分析中的放热峰和吸热峰产生的原因

图5为高聚物的DTA模式曲线，它反映了高聚物随温度升高所产生的玻璃化转变、结晶、熔融、氧化和分解等过程。DTA曲线的峰形，出锋位置，峰面积等受试样的质量，热传导率，比热，粒度，填充的程度，周围气氛和升温速度等因素的影响。以升温速度为例，升温速度太慢，转变不明显，甚至观察不到；升温速度快，转变明显，但达到峰值的温度向高温方向偏移，峰形尖锐，但峰的分辨率降低，一般采用10℃/分比较合适。一般情况下，在实验时采用薄膜或细粉状样品，并使试样铺满盛器底部，加盖压紧，试样底部尽可能平整；保证和托架之间的良好接触。气氛应该是静态的，也可以是动态的，就气体性质而言，可以是惰性的，也可以是参加反应的，视实验要求而定。一般采用N₂，流量在30毫升/分左右。

差热分析主要应用于以下方面：研究结晶转变，二级转变；追踪熔融，蒸发等相变过程；用于分解、氧化还原、固相反应等的研究。

在热分析中，参比物应选择那些在实验温度范围内不发生热效应的物质，如α-氧化铝、石英、硅油、瓷、玻璃珠等。

二、实验仪器

岛津DTG-60H，是一类差热（DTA）—热重（TG）同步测定装置，如图6所示。图7为操作键和显示屏的图示。图8为参比物和试样架示意图。图9为DTG-60H的热失重部分结构图。本实验中采用的参比物为α-氧化铝，试样进样重量视试样性质而定，有机物进样量约为参比物的两倍质量，无机物进样与参比物质量相等即可。

 

三、实验步骤

1、开启电脑和DTG-60H，并预热10分钟。

2、称取聚丙烯（PP）材料5mg，放入铝坩埚中，将铝坩埚放入DTG-60H样品架上（右侧）。

3、通入保护气（N₂），流量为40ml/min（指示球位于中间位置）。设定测试程序，升温速度为10℃/min，最高温设置为200℃；降温速度设置为10℃/min。将重量输入重量栏，或者直接仪器读取（在zero的前提下）。为数据设置到目标文件夹内。

4、启动DTG-60H测试程序，对PP样品进行DTA和TG测试。

5、根据数据处理方法介绍处理数据，分析样品的T_g，T_m以及T_d等。

四、结果与分析

   1.图1是聚丙烯的热分析数据处理结果，相关信息标于图中，可以看出，在温度从20℃升高到300℃的过程中，TG曲线是一条几乎水平的直线，说明未发生失重；DTA在170.5℃出现吸热峰，是由于熔化吸收热量所致，说明PP的熔点是170.5℃，与标准数据作比较，判断此PP应是全同立构聚合物。

图1 聚丙烯的DTG曲线

2. 图2是丁二酸的热分析图谱，相关信息标于图中。由热失重曲线可知，温度升高到186℃，发生失重，说明有分解反应发生，此过程是丁二酸熔化，并逐渐脱去小分子水，生成酸酐。再由DTA曲线，知丁二酸的熔点是191℃，沸点是235℃。

图2 丁二酸的DTG曲线

3. 图3是三苯基磷的热分析图谱，综合TG和DTA曲线知，83℃是其熔点，固态三苯基磷熔融吸热；179.7℃以后，发生了热分解反应，导致失重和吸热峰的产生。

图3 三苯基磷的DTG曲线

 

第二篇：DSC TG综合热分析实验

华南师范大学实验报告

专 业： 材料化学 年 级：2008级

课程名字： 近代材料分析测试技术 实验项目：综合热分析实验 实验类型： 验证 实验时间：20xx年5月6日

指导老师： 石光老师 实验评分：

实验六：综合热分析实验

一、 实验目的

1．了解综合热分析仪的原理及仪器装置、操作方法。

2．通过实验掌握热重分析的实验技术。

3．使用综合分析仪分析高聚物的热效应和热稳定性。

二、 实验原理

在程序温度（等速升降温、恒温和循环）控制下，测量物质的质量和热量随温度变化的分析仪器。刚开始加热时，试样和参比物以相同温度升温，试样没有热效应，DSC曲线上为平直的基线。当温度上升到试样产玻璃化转时，大分子的链段开始运动。试样的热容发生明显的变化，由于热容增大需要吸收更多的热量，于是DSC曲线上方出现一个转折，该转折对应的温度，即玻璃化转变温度（Tg）。若试样是能结晶的并处于过冷的无定形状态，则在玻璃温度以上的适当温度进行结晶，同时放出大量的热量，此时DSC曲线上表现为放热峰。再进一步加热，晶体开始熔融而需要吸收热量，其DSC曲线在相反方向出现吸热峰。当熔融完成后，加于试样的热能再使试样温度升高，直到等于参比物的温度，回复到基线位置，将熔融峰顶点对应的温度记作熔点（Tm）；继续加热试样可能发生其他变化，如氧化、分解（氧化是放热反应，分解是吸热反应）。因此，根据DSC曲线可以确定高聚物的转变和特征温度。

三． 仪器和试剂

交联壳聚糖微球、吸附了重金属的交联壳聚糖微球，聚丙烯，高密度聚乙烯， a-Al2O3、STA409PC综合热分析仪。

四、实验步骤

（一）操作条件

1、实验室门应轻开轻关，尽量避免或减少人员走动。

2、计算机在仪器测试时，不能上网或运行系统资源占用较大的程序。

3、充入保护气体。

4、吹扫气体。

5、恒温水浴保证测量天平工作在一个恒定的温度下。

（二）试样准备

1、检查并保证测试试样及其分解物。

2、坩埚（包括参比坩埚）预先进行热处理到等于或高于其最高测量温度。

3、保证与测量坩埚底部接触良好，样品应适量，确保测量精度。

4、对于热反应剧烈或在反应过程中易产生气泡的样品，应适当减少样品量。

5、炉子内部温度必须保持恒定（室温），天平稳定后的读数才有效。

6、测试必须保证样品温度（达到室温）及天平均稳定后才能开始。

7、先将试样制成细粉状并通过80~100目的筛孔，称取聚丙烯和低压聚乙烯的混合物（重

量比3：1混合）10mg装入试样坩埚、隋性参比物a-Al2O3填充于另一坩埚中，样品量一般不超过坩埚容积的2/3，把装样的坩埚在清洁的石台上轻墩数次，使样品松紧适中。

（三）开机

（1）开机过程无先后顺序。恒温水浴及其他仪器应至少提前1h打开。

（2）开机后，首先调整保护气体及吹扫气体输出压力及流速并待其稳定。

（四）样品测试程序

以使用TG-DSC样品支架进行测试为例，升温速度除特殊要求外，一般为10~30K/min。

（五） 测试结果分析

1) 仪器测试结束后打开Tools菜单，从下拉菜单中选择Run analysis program 选

项，进入软件界面。

2) 在分析软件界面中点击工具栏中的Segments按钮，打开Segments对话框，去

掉Segments对话框中的“1”、“2”复选项，点击OK按钮关闭对话框。

3) 点击工具栏上的“X-time/X-temperature”转换开关，使横坐标由时间转换成

温度。

4) 点击待分析曲线使之选中，然后点击工具栏上的“1st Derivative”一次微分

按钮，屏幕上出现一条待分析曲线的一次微分曲线。

5) 完成全部分析内容后，即可打印输出，测试分析操作结束。

五、影响综合热分析的因素

1、 升温速率

2、 样品

3、 气氛

4、 坩埚材质

六、注意事项

1．由于本仪器面板许多参数是出厂设定值，不能任意更改，以免影响仪器正常运行；

2．试样装填和取出动作要轻稳，一般情况由试验老师操作；

3．不得随意更改计算机中的预设参数和端口设置等。

七、实验报告要求

由实验获得TG曲线如下：

TG /%

100DSC /(mW/mg) 放热??

[1]

80

-2

60质量变化: -90.49 %-440-6

-8

20

质量变化: -6.27 %-10

100200300400500温度 /℃600700800

1、分析TG曲线,给出该物质的起始分解温度、终止分解温度、各阶段的失重情况

聚苯乙烯和二氯苯的共混物，第一失重阶段是二氯苯分解 起始温度49.9，终止温度270，实中15.29，第二失重聚苯乙烯分解，383.8 450.77.65

2、分析材料在热处理过程中的热焓变化情况。

第一阶段 170附近的小吸收峰和在370附近的放热峰是二氯化苯发生分解，小吸收峰是因为小分子脱离吸收热量，大放热峰是分解产物的氧化或其他化学反应放出的热量，第二阶段是聚苯乙烯分解长碳链，吸收峰明显，在450的小放热峰是碳的氧化放热。

八、思考题

1．示差扫描量热分析（DSC）的基本原理是什么？

DSC是测量输入到试样和参比物热流量差或功率差与温度或时间的关系. DSC在试样在热反应时发生的热量变化，由于及时输入电功率而得到补偿，所以实际记录的是试样和

参比物下面两只电热补偿的热功率之差随时间t的变化关系。如果升温速率恒定，记录的也就是热功率之差随温度T的变化关系