实验一 综合热分析实验

实验一综合热分析实验

一、目的要求

1.了解综合热分析仪的基本构造、原理及方法。

2.了解实验条件的选择。

3.掌握热分析样品的制样方法。

4.掌握对样品的热分析图谱进行相关分析和计算。

二、综合热分析仪的结构、原理及性能

综合热分析仪是在程序控制温度下同步测定物质的重量变化、温度变化和热效应的装置。一般地，综合热分析仪主要由程序控制系统、测量系统、显示系统、气氛控制系统、操作控制和数据处理系统等部分组成。

1.TG的结构、原理及性能

热重法（TG）是在程序控制温度下，测量物质的质量与温度关系的一种热分析技术。热重法记录的是热重曲线（ＴＧ曲线），它以质量作为纵坐标，以温度或时间为横坐标，即ｍ—Ｔ曲线。

热重法通常有下列两种类型：等温热重法：在恒温下测定物质质量变化与时间的关系；非等温热重法：在程序升温下测定物质质量变化与温度的关系。

热重法所用仪器称为热重分析仪或热天平，其基本构造是由精密天平和程序控温的加热炉组成，热天平是根据天平梁的倾斜与重量变化的关系进行测定的，通常测定重量变化的方法有变位法和零位法两种。①变位法是利用物质的质量变化与天平梁的倾斜成正比的关系，用差动变压器直接控制检测。②零位法是靠电磁作用力使因质量变化而倾斜的的天平梁恢复到原来的平衡位置，施加的电磁力与质量变化成正比，而电磁力的大小与方向是通过调节转换结构中线圈中的电流实现的，因此检测此电流即可知质量变化。天平梁倾斜由光电元件检出，经电子放大后反馈到安装在天平衡量上的感应线圈，使天平梁又回到原点。

SDTQ600综合热分析仪采用水平双杆双天平的结构设计。一臂作为水平天平零位平衡测量，另一臂作为高灵敏度DTA的热电偶。同时，一臂用来装填试样，测量质量变化，给出的重量信号为样品臂和参比臂的重量信号差；另一臂作参比，用来测量DTA和修正TG。水平双天平结构设计能够同时检测TG质量变化及DTA 差热变化，也会自动扣除天平的热膨胀和浮力效应。双臂天平结果漂移更小，基

线更稳定，重复测试的精度和准确度也更高。双臂热天平在升温过程中，由于气体的浮力效应、加热气体的热循环、载气量的多少、气流及环境均相同，各种变化相等且相应的作用于两臂坩埚上，对结果的影响相互抵消，从而提高实验精度。

2.DTA的结构、原理及性能

差热分析（DTA）是在程序控制温度条件下，测量样品与参比物之间的温度差与温度关系的一种热分析技术。差热分析记录的是差热分析曲线(DTA曲线)。

在DTA中，试样S和参比物R分别装载两坩埚内，在试样和参比物中各有一个热电偶，这两个热电偶相互反接。对试样和参比物同时进行程序升温，当加热到某一温度，试样放热或吸热时，试样温度Tｓ会高于或低于参比物温度Tｒ产生温差，该温差ΔT就会由上述两个反接的热电偶以差热电势形式输给差热放大器，经放大后输入记录仪，得到差热曲线，即ΔT—T曲线。

3.DSC的结构、原理及性能

差式扫描量热法（DSC）是在程序控制温度下，测量输入给样品和参比物的功率差与温度关系的一种热分析方法。DSC按测定方法不同可分为两种：功率补偿式差示扫描量热法和热流式差示扫描量热法。

功率补偿式差示扫描量热仪是在样品和参比物始终保持相同温度的条件下，测定为满足此条件样品和参比物两端所需的能量差，并直接作为信号ΔQ输出。对功率补偿式差示扫描量热法，在样品池和参比物池下各有一个补偿加热丝，以补偿二者之温差ΔT，通过微伏放大器，把信号输给差热补偿器，使输入到补偿加热丝的电流变化。如果样品吸热，补偿加热丝变供热给试样，使试样与参比物的温度相同，即ΔT=0；如果样品放热，补偿加热丝便供热给参比物，使样品与参比物的温度相同，即ΔT=0。这样，补偿的能量就是样品吸收或放出的能量。

热流式差示扫描量热法是在基于样品和参比物相同的功率下，测试样品和参比物两端的温差ΔT，然后根据热流方程，将ΔT换算成ΔQ作为信号的输出。因此，热流式差示扫描量热仪与功率补偿式差示扫描量热仪最大的不同就是在样品池与参比物池下没有补偿加热丝。

三、实验内容与方法

1.制样方法

SDTQ600综合热分析仪可对固体和液体样品进行TG、DTA和DSC测试。

固体试样要求颗粒均匀、装填致密且形成均匀的薄层，有利于得到重现性较好的热分析曲线。因为热电偶位于坩埚样品盘的中部，所以块状样品应尽量位于干过的中部区域。样品的装填不应超过坩埚总容积的三分之一。

液体样品可直接置于坩埚内，但不应超过坩埚总容积的三分之一。

2.综合热分析仪的操作规程

（1）打开钢瓶阀门，调节气体出口压强为0.1MPa;

(2)依次开启主机电源、计算机电源；打开软件，并设定相应的测定条件；

（3）打开加热炉，取出样品坩埚，放入样品，关闭加热炉，进行操作；

（4）实验结束后取出坩埚。

四、实验结果分析

从图知金属In的熔点是160.07℃，熔融焓是18.74J/gDTA曲线中峰值温度分别为158.01℃、164.88℃。

五、思考题

1.简述热重法、差热分析发、差示扫描量热法的基本原理？

热重法（TG）是在程序控制温度下，测量物质质量与温度关系的一种技术。其原理是许多物质在加热过程中常伴随质量的变化，这种变化过程有助于研究晶体性质的变化，如熔化、蒸发、升华和吸附等物质的物理现象；也有助于研究物质的脱水、解离、氧化、还原等物质的化学现象。物质在加热、冷却过程中，除产生热效应外，往往有质量变化，变化的大小及出现的温度与物质的化学组成与结构密切相关。利用TG可区别和鉴定不同的物质。

差热分析是在程序控制温度下，测量物质与参比物之间的温度差与温度关系

的一种技术。在DAT试验中，样品温度的变化是由于相转变或反应的吸热或放热效应引起的。其基本原理是：将试样与惰性参考物并放在一金属块适当的位置上，放在加热炉的中部，按一定速度升温或降温。通过均热块使试样和参比物处于同一温度室中。在试样和参比物没有发生物理和化学变化时，无热效应发生，试样池和参比池的温度相等示差热电势始终等于一个定值，此时记录的DTA曲线是一直线，称没有热效应的DTA曲线为基线。当试样在某一温度下发生物理或化学变化，则会放出或吸收一定的热量，此时示差电动势就会偏离基线，出现差热峰。

DSC是在程序控制温度下，测量输给物质和参比物的功率差与温度关系的一种技术。根据测量方法分功率补偿型和热流型。分辨能力和灵敏度高，使用温度范围较宽。测量各种热力学、动力学参数。其基本原理为：比DTA多了一个功率补偿放大器，样品与参比物下增加了补偿加热器。补偿器供热给试样或参比物，使二者的温度相等，△T＝0补偿的能量就是样品吸收或放出的能量。

2.DTG曲线与TG曲线有何不同？从DTG曲线上可以得到那些信息？

DTG是TG曲线对温度或时间的一阶导数，即质量变化率。曲线上出现的峰表示质量发生变化，峰的面积与试样的质量变化成正比，峰顶与失重变化率最大处相对应。TG曲线上质量基本不变的部分称平台，两平台之间的部分称台阶。

3.为何用外推起始温度作为DTA曲线的反应起始温度？

因为起始温度与仪器的灵敏度有关，灵敏度越高则出现越早，即起始温度重复性较差。而外推起始温度和峰温的重复性较好，故常以此作为特征温度。

4.简述DSC技术的原理和特点以及功率补偿式差示扫描量热法和热流式差示扫描量热法的异同？

DSC是在程序控制温度下，测量输给物质和参比物的功率差与温度关系的一种技术。根据测量方法分功率补偿型和热流型。分辨能力和灵敏度高，使用温度范围较宽。测量各种热力学、动力学参数。其基本原理为：比DTA多了一个功率补偿放大器，样品与参比物下增加了补偿加热器。补偿器供热给试样或参比物，使二者的温度相等，△T＝0补偿的能量就是样品吸收或放出的能量。功率补偿式差示扫描量热法是根据功率差不同进行补偿，而热流式差示扫描量热法热能不同进行补偿。