热分析常用方法及谱图

第18讲教学目的：使学生了解热分析的分类和术语教学要求：掌握热重分析的定义、影响因素教学重点：热重分析的定义、影响因素教学难点：热重及微商热重教学拓展：热重质谱联用作业：1.简述热分析的定义和分类？2.简述热重分析的原理和影响因素？3.热重法和微商热重法的区别是什么？第三章热分析第1节热重分析1.1概述：热分析的起源与发展发明人：ChatelierH.Le(1887)，他实际上并没有测定试样和参比物之间的温度差，而是把Pt-Pt10%Rh热电偶(用一根热电偶)插入受热的粘土试样中，加热速度为每2秒4℃，热电偶电动势用照相法记录下来，若粘土在加热过程中没有发生热变化，则照相记录是一系列距离的线条，若有热变化，则线条是由一系列疏密不同的线条组成的。

由于他只用了一根热电偶，严格地说只能叫热分析，算不上差热分析。

十二年后(1899)，英国人Roberts-Austen W.C.改良了恰特利的装置，采用两个热电偶反相连接，一个热电偶插入样品中，另一个插到参比物内，记录试样与参比物间产生的温度差ΔT，这就是目前广泛使用的差热分析法的原始模型。

热分析的定义热分析（Thermal Analysis），国际热分析协会（International Confederation for Thermal Analysis简称ICTA），在1968年第二次国际热分析会议上通过一个命名报告中作过阐明，而后在1977年第五次国际热分析会议上又作了修订。

定义如下：“在程控温度下，测量物质的物理性质与温度关系的一类技术。

”此处所说的物质是指被测样品和（或）它的反应产物，而程序温度一般采用线性程序，但也可以是温度的对数或倒数程序。

按照定义，称为热分析技术必须满足下述三条标准：1．必须测量物质的某种物理性质。

诸如热学的、力学的、电学的、光学的、磁学的和声学的等。

因此，热分析技术所涉及的范围极其广泛。

2．测量的物理量必须直接或间接表示为温度关系。

化学专业学生必备：各种仪器分析的基本原理及谱图表示方法！！紫外吸收光谱UV分析原理：吸收紫外光能量，引起分子中电子能级的跃迁谱图的表示方法：相对吸收光能量随吸收光波长的变化提供的信息：吸收峰的位置、强度和形状，提供分子中不同电子结构的信息荧光光谱法FS分析原理：被电磁辐射激发后，从最低单线激发态回到单线基态，发射荧光谱图的表示方法：发射的荧光能量随光波长的变化提供的信息：荧光效率和寿命，提供分子中不同电子结构的信息红外吸收光谱法IR分析原理：吸收红外光能量，引起具有偶极矩变化的分子的振动、转动能级跃迁谱图的表示方法：相对透射光能量随透射光频率变化提供的信息：峰的位置、强度和形状，提供功能团或化学键的特征振动频率拉曼光谱法Ram分析原理：吸收光能后，引起具有极化率变化的分子振动，产生拉曼散射谱图的表示方法：散射光能量随拉曼位移的变化提供的信息：峰的位置、强度和形状，提供功能团或化学键的特征振动频率核磁共振波谱法NMR分析原理：在外磁场中，具有核磁矩的原子核，吸收射频能量，产生核自旋能级的跃迁谱图的表示方法：吸收光能量随化学位移的变化提供的信息：峰的化学位移、强度、裂分数和偶合常数，提供核的数目、所处化学环境和几何构型的信息电子顺磁共振波谱法ESR分析原理：在外磁场中，分子中未成对电子吸收射频能量，产生电子自旋能级跃迁谱图的表示方法：吸收光能量或微分能量随磁场强度变化提供的信息：谱线位置、强度、裂分数目和超精细分裂常数，提供未成对电子密度、分子键特性及几何构型信息质谱分析法MS分析原理：分子在真空中被电子轰击，形成离子，通过电磁场按不同m/e分离谱图的表示方法：以棒图形式表示离子的相对峰度随m/e的变化提供的信息：分子离子及碎片离子的质量数及其相对峰度，提供分子量，元素组成及结构的信息气相色谱法GC分析原理：样品中各组分在流动相和固定相之间，由于分配系数不同而分离谱图的表示方法：柱后流出物浓度随保留值的变化提供的信息：峰的保留值与组分热力学参数有关，是定性依据；峰面积与组分含量有关反气相色谱法IGC分析原理：探针分子保留值的变化取决于它和作为固定相的聚合物样品之间的相互作用力谱图的表示方法：探针分子比保留体积的对数值随柱温倒数的变化曲线提供的信息：探针分子保留值与温度的关系提供聚合物的热力学参数裂解气相色谱法PGC分析原理：高分子材料在一定条件下瞬间裂解，可获得具有一定特征的碎片谱图的表示方法：柱后流出物浓度随保留值的变化提供的信息：谱图的指纹性或特征碎片峰，表征聚合物的化学结构和几何构型凝胶色谱法GPC分析原理：样品通过凝胶柱时，按分子的流体力学体积不同进行分离，大分子先流出谱图的表示方法：柱后流出物浓度随保留值的变化提供的信息：高聚物的平均分子量及其分布热重法TG分析原理：在控温环境中，样品重量随温度或时间变化谱图的表示方法：样品的重量分数随温度或时间的变化曲线提供的信息：曲线陡降处为样品失重区，平台区为样品的热稳定区热差分析DTA分析原理：样品与参比物处于同一控温环境中，由于二者导热系数不同产生温差，记录温度随环境温度或时间的变化谱图的表示方法：温差随环境温度或时间的变化曲线提供的信息：提供聚合物热转变温度及各种热效应的信息示差扫描量热分析DSC分析原理：样品与参比物处于同一控温环境中，记录维持温差为零时，所需能量随环境温度或时间的变化谱图的表示方法：热量或其变化率随环境温度或时间的变化曲线提供的信息：提供聚合物热转变温度及各种热效应的信息静态热―力分析TMA分析原理：样品在恒力作用下产生的形变随温度或时间变化谱图的表示方法：样品形变值随温度或时间变化曲线提供的信息：热转变温度和力学状态动态热―力分析DMA分析原理：样品在周期性变化的外力作用下产生的形变随温度的变化谱图的表示方法：模量或tgδ随温度变化曲线提供的信息：热转变温度模量和tgδ透射电子显微术TEM分析原理：高能电子束穿透试样时发生散射、吸收、干涉和衍射，使得在相平面形成衬度，显示出图象谱图的表示方法：质厚衬度象、明场衍衬象、暗场衍衬象、晶格条纹象、和分子象提供的信息：晶体形貌、分子量分布、微孔尺寸分布、多相结构和晶格与缺陷等扫描电子显微术SEM分析原理：用电子技术检测高能电子束与样品作用时产生二次电子、背散射电子、吸收电子、X射线等并放大成象谱图的表示方法：背散射象、二次电子象、吸收电流象、元素的线分布和面分布等提供的信息：断口形貌、表面显微结构、薄膜内部的显微结构、微区元素分析与定量元素分析等原子吸收AAS原理：通过原子化器将待测试样原子化，待测原子吸收待测元素空心阴极灯的光，从而使用检测器检测到的能量变低，从而得到吸光度。

实验十二聚合物的热谱图分析在等速升温（降温）的条件下，测量试样与参比物之间的温度差随温度变化的技术称为差热分析，简称DTA（Differential Thermal Analysis）。

试样在升（降）温过程中，发生吸热或放热，在差热曲线上就会出现吸热或放热峰。

试样发生力学状态变化时（如玻璃化转变），虽无吸热或放热，但比热有突变，在差热曲线上是基线的突然变动。

试样对热敏感的变化能反映在差热曲线上。

发生的热效大致可归纳为：（1）发生吸热反应。

结晶熔化、蒸发、升华、化学吸附、脱结晶水、二次相变（如高聚物的玻璃化转变）、气态还原等。

（2）发生放热反应。

气体吸附、氧化降解、气态氧化（燃烧）、爆炸、再结晶等。

（3）发生放热或吸热反应。

结晶形态转变、化学分解、氧化还原反应、固态反应等。

用DTA方法分析上述这些反应，不反映物质的重量是否变化，也不论是物理变化还是化学变化，它只能反映出在某个温度下物质发生了反应，具体确定反应的实质还得要用其他方法（如光谱、质谱和X光衍射等）。

由于DTA测量的是样品和基准物的温度差，试样在转变时热传导的变化是未知的，温差与热量变化比例也是未知的，其热量变化的定量性能不好。

在DTA基础上增加一个补偿加热器而成的另一种技术是差示扫描量热法。

简称DSC （Differential Scanning Calorimetry）。

因此DSC直接反映试样在转变时的热量变化，便于定量测定。

DTA、DSC广泛应用于：（1）研究聚合物相转变，测定结晶温度T c、熔点T m、结晶度X D。

结晶动力学参数。

（2）测定玻璃化转变温度T g。

（3）研究聚合、固化、交联、氧化、分解等反应，测定反应热、反应动力学参数。

一、目的要求：1．了解DTA、DSC的原理。

2．掌握用DTA、DSC测定聚合物的T g、T c、T m、X D。

二、基本原理：1．DTA图（11-1）是DTA的示意图。

通常由温度程序控制、气氛控制、变换放大、显示记录等部分所组成。

差动热分析编辑本段差动热分析(DSC)热分析是测量在受控程序温度条件下，物质的物理性能随温度变化的函数关系的一组技术。

目前热分析已经发展成为系统的分析方法，它对于材料的研究是一种极为有用的工具，特别是在高聚合物的分析测定方面应用更为广泛。

它不仅能获得结构方面的信息，而且还能测定性能，热分析仪已成为从事材料测试的实验室必备的仪器。

差动热分析(DSC) 也叫做示差扫描热量法（Differential Scanning Calorimetry ），是在程序温度下，测量物质与参比物的功率差值△W与温度的函数关系。

是和DTA在应用上相近而在原理上稍有改进的一种热分析技术。

差动热分析仪CDR-4P用于测定物质在热反应时的特征温度及吸热或放出的热量，包括物质相变、分解、化合、凝固、脱水、蒸发等物理或化学反应，广泛应用于无机、硅酸盐、陶瓷、矿物金属、航天耐温材料等领域。

是无机、有机、特别是高分子聚合物、玻璃钢等方面热分析的重要仪器。

可实现在同一台热分析仪上分别测量DTA和DSC。

DTA的工作原理（图1）是在程序温度控制下恒速升温（或降温）时，连续测定试样(S)同参比物（R：如α-氧化铝）间的温度差ΔT，从而以ΔT对T作图得到热谱图曲线（见图2），进而通过对其分析处理获取所需信息。

在进行DTA测试时，试样和参比物分别放在两个样品池内，如图1所示，加热炉以一定的速率升温，若试样没有热反应，则它的温度和和参比物温度之间的温差ΔT＝0，差热曲线为一条直线，称为基线；若试样在某温度范围内有吸热（放热）反应，则试样温度将停止（或加快）上升，试样和参比物之间产生温差ΔT，将该信号放大，由计算机进行数据采集处理后形成DTA峰形曲线，根据出峰的温度及其面积的大小与形状可以进行分析。

DSC的原理和DTA基本相似，其改进之处是在试样和参比物下增加了两组补偿加热丝，当试样在加热过程中由于热反应而和参比试样间出现温差ΔT时，通过差热放大和差动热量补偿使流入补偿丝的电流发生变化。