热分析
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热分析(ansys教程)
1. 对流边界条件：需要提供对流 系数、流体温度和表面传热系数 等信息。
3. 初始条件：确保初始温度等初 始条件设置合理，不会导致求解 过程不稳定。
求解收敛问题
•·
1. 迭代方法：选择合适的迭代方 法，如共轭梯度法、牛顿-拉夫森 法等。
2. 松弛因子调整：根据求解过程， 适时调整松弛因子，以提高求解 收敛速度。
稳态热分析的步骤
建立模型
使用ANSYS的几何建模工具创建分析对象 的几何模型。
后处理
使用ANSYS的后处理功能，查看和分析结 果，如温度云图、等温线等。
网格化
对模型进行网格化，以便进行数值计算。 ANSYS提供了多种网格化工具和选项，可 以根据需要进行选择。
求解
运行求解器以获得温度分布和其他热分析 结果。
电子设备散热分析
研究电子设备在工作状态下的散热性能，提高设备可靠性和 使用寿命。
06 热分析的常见问题与解决 方案
网格划分问题
网格划分是热分析中重要 的一步，如果处理不当， 可能导致求解精度和稳定 性问题。
•·
1. 网格无关性：确保随着 网格数量的增加，解的收 敛性得到改善，且解不再 发生大的变化。
03 稳态热分析
稳态热分析的基本原理
01
稳态热分析是用于确定物体在稳定热载荷作用下的温度分布。在稳态条件下， 物体的温度场不随时间变化，热平衡状态被建立，流入和流出物体的热量相等 。
02
稳态热分析基于能量守恒原理，即流入物体的热量等于流出物体的热量加上物 体内部热量的变化。
03
稳态热分析通常用于研究物体的长期热行为，例如散热器的性能、电子设备的 热设计等。
热分析的基本原理基于能量守恒定律，即物体内部的能量变化应满足能量守恒关系。
热分析的原理与应用
热分析的原理与应用1. 热分析的基本原理热分析是一种通过对样品在不同温度或时间条件下的物理或化学变化进行分析的方法，其基本原理包括以下几个方面：•热重分析（TG）：热重分析通过测量样品在升温过程中的质量变化来分析样品的成分和性质。
样品在升温时，其质量会随温度的变化而发生变化，这是因为样品中存在着各种物质的热分解、氧化、化合物变化等反应过程。
通过对样品质量随时间或温度的变化进行监测和分析，可以得到样品的热分解特性和成分信息。
•热差示扫描量热法（DSC）：热差示扫描量热法是一种通过测量样品在升温或降温过程中与基准物质之间的温差来分析样品热性质的方法。
样品和基准物质在温度条件下可能会发生吸热或放热反应，从而产生温差。
通过测量样品和基准物质之间的温差，可以了解样品的热容量、热变化、相变等信息。
•差热分析（DTA）：差热分析是一种通过测量样品和参比物在升温或降温过程中的温差来分析样品的性质和反应的方法。
样品和参比物在升温或降温过程中可能会发生物理或化学变化，从而产生温差。
通过测量样品和参比物之间的温差，可以推断出样品的热性质和反应特性。
2. 热分析的应用领域热分析在各个领域中有着广泛的应用，以下列举了其中的几个应用领域：•材料科学与工程：热分析可以用于材料的性能测试和品质控制。
通过热分析可以了解材料的热固化过程、热稳定性、相变行为、热膨胀系数等性质，从而指导材料的设计、工艺优化和使用条件的确定。
•环境科学：热分析可以用于环境污染物的检测和分析。
通过热分析可以了解样品中的有机和无机物质的热稳定性、燃烧特性等。
例如，使用热分析可以对废物和大气污染物中的有机物进行检测和定性分析。
•药物研发：热分析可以用于药物的研发过程中的药物稳定性测试和相变行为研究。
通过热分析可以了解药物在不同温度和湿度条件下的稳定性、热分解特性等，从而指导药物的储存和使用条件的确定。
•食品科学：热分析可以用于食品中成分和品质的分析和检测。
通过热分析可以了解食品中的蛋白质、脂肪、糖等成分的热稳定性、降解特性，从而判断食品的品质和存储条件。
热分析ppt幻灯片课件
结果解析与讨论
峰归属与物质鉴定
根据峰位、峰形等信息推断物质种类及结构 。
热稳定性评价
通过比较不同物质的热分解温度、热稳定性 参数等评估其热稳定性。
反应动力学分析
研究物质在加热过程中的反应速率、活化能 等动力学参数，揭示反应机理。
结果可靠性验证
采用多种方法对数据结果进行交叉验证，确 保结果准确性和可靠性。
04
原理
在程序控制温度下，测量 物质的质量与温度的关系 。
应用
用于研究物质的热稳定性 、分解过程、挥发过程等 热性质，以及进行物质的 定性和定量分析。
优点
设备简单，操作方便，可 测量宽温度范围内的热性 质。
缺点
对样品的均匀性要求较高 ，易受气氛影响。
热机械分析法
原理
在程序控制温度下，测量物质的尺寸或形状 变化与温度的关系。
反应平衡常数测定
利用热分析数据，可以计算化学反应的平衡常数 ，进而研究反应在不同温度下的平衡状态。
3
热化学方程式推导
基于热分析实验结果，可以推导化学反应的热化 学方程式，明确反应物和生成物之间的热力学关 系。
化学反应动力学研究
01
反应速率常数测定
通过热分析技术，可以测定化学 反应的速率常数，了解反应在不 同温度下的速率变化。
优点
可直观观察物质的尺寸或形状变化，对研究 物质的热机械性能有重要意义。
应用
用于研究物质的热膨胀、收缩、相变等热性 质，以及进行物质的定性和定量分析。
缺点
设备较复杂，操作要求较高，对样品的形状 和尺寸有一定要求。
04
热分析数据处理与解 析
数据处理基本方法
数据平滑处理
消除随机误差，提高数据信噪比。
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04
差示扫描量热法
差示扫描量热法基本原理
差示扫描量热法（DSC）是一种热分析方法，用于测量样品与参比物之间的功率差随温度或时间的变 化。
DSC基本原理是，在程序控制温度下，测量输入到试样和参比物的功率差（如以热的形式）与温度的关 系。
DSC曲线可以反映样品在加热或冷却过程中的吸热或放热行为，从而得到样品的热性能参数，如熔点、 玻璃化转变温度等。
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目 录
• 热分析概述 • 热重分析法 • 差热分析法 • 差示扫描量热法 • 热机械分析法 • 热分析实验技术与方法
01
热分析概述
热分析定义与原理
热分析定义
热分析是一种研究物质在加热或冷却 过程中物理和化学性质变化的技术。
热分析原理
通过测量物质在温度变化过程中的各 种热力学参数（如热容、热导率、热 膨胀系数等）和化学反应参数（如反 应热、反应速率等），来研究物质的 组成、结构和性质。
热机械分析（TMA）
测量物质在温度变化过程中的尺寸变 化，用于研究物质的热膨胀系数和机 械性能等。
02
热重分析法
热重分析法基本原理
热重分析法定义
01
通过测量物质在程序升温过程中的质量变化，研究物质的热稳
定性和热分解等性质的一种技术。
热重分析仪构成
02
主要由加热系统、温度控制系统、天平测量系统和记录系统组
根据实验需要选择合适的气氛，如空气、氧气、氮气等。
数据处理与结果分析方法
数据采集
使用专业的热分析软件对实验数据进行采集和记录。
数据处理
对采集到的实验数据进行平滑、去噪、基线校正等处理，以获得更 准确的实验结果。
结果分析
根据实验目的和数据处理结果，对样品的热性质进行分析和解释，如 热稳定性、热分解温度、热焓等。
热分析
样品粒度：影响峰形和峰值，尤其是有气相参与的反应； 参比物与样品的对称性：包括用量、密度、粒度、比热容及热传导等，
两者都应尽可能一致，否则可能出现基线偏移、弯曲，甚至造成缓慢 变化的假峰； 气氛； 记录纸速：不同的纸速使DTA峰形不同； 升温速率：影响峰形与峰位； 样品用量：过多则会影响热效应温度的准确测量，妨碍两相邻热效应 峰的分离等。
（1）这个化合物透过重结晶或用其它溶剂进行过处理，本身含有吸附 水或溶剂，因此减重；
（2）高分子试样中的溶剂，未聚合的单体和低沸点的增塑剂的挥发等， 也造成减重。
可用以下方法消除影响 （1）无机化合物在较低温度下干燥，如硅胶、五氧化二磷干燥剂，把
吸湿水去掉。 （2）可控温下的真空抽吸，把单体及低沸点的增塑剂、挥发物分离出
图3 差热分析法测定相图 (a)测定的相图 (b)DTA曲线
图4 聚苯乙烯的DTA曲线
图5 为差热分析法用于共混聚合物鉴定示例。
依据共混物DTA曲线上的特征峰(熔融吸热峰)确定共混物由高压聚乙烯 (HPPE)、低压聚乙烯(LPPE)、聚丙烯(PP)、聚次甲氧基(POM)、尼 龙6(Nylon 6)、尼龙66(Nylon 66)和聚四氟乙烯(PTFE)7种聚合物 组成。
样品真实的热量变化与曲线峰面积的关系为
m·H=K·A
式中，m——样品质量；
H——单位质量样品的焓变； A——与H相应的曲线峰面积；
K——修正系数，称仪器常数。
应用
图8所示为双酚A型聚砜-聚氧化 丙烯多嵌段共聚物的差示扫描 量热曲线。
由图可知，各样品软段相转变 温度均高于软段预聚的转变温 度（206℃）。
图7 典型的DSC曲线
热量变化与曲线峰面积的关系
考虑到样品发生热量变化（吸热或放热）时，此种变化除传导到温度 传感装置（热电偶、热敏电阻等）以实现样品（或参比物）的热量补 偿外，尚有一部分传导到温度传感装置以外的地方，因而差示扫描量 热曲线上吸热峰或放热峰面积实际上仅代表样品传导到温度传感器装 置的那部分热量变化。
两者都应尽可能一致，否则可能出现基线偏移、弯曲，甚至造成缓慢 变化的假峰； 气氛； 记录纸速：不同的纸速使DTA峰形不同； 升温速率：影响峰形与峰位； 样品用量：过多则会影响热效应温度的准确测量，妨碍两相邻热效应 峰的分离等。
（1）这个化合物透过重结晶或用其它溶剂进行过处理，本身含有吸附 水或溶剂，因此减重；
（2）高分子试样中的溶剂，未聚合的单体和低沸点的增塑剂的挥发等， 也造成减重。
可用以下方法消除影响 （1）无机化合物在较低温度下干燥，如硅胶、五氧化二磷干燥剂，把
吸湿水去掉。 （2）可控温下的真空抽吸，把单体及低沸点的增塑剂、挥发物分离出
图3 差热分析法测定相图 (a)测定的相图 (b)DTA曲线
图4 聚苯乙烯的DTA曲线
图5 为差热分析法用于共混聚合物鉴定示例。
依据共混物DTA曲线上的特征峰(熔融吸热峰)确定共混物由高压聚乙烯 (HPPE)、低压聚乙烯(LPPE)、聚丙烯(PP)、聚次甲氧基(POM)、尼 龙6(Nylon 6)、尼龙66(Nylon 66)和聚四氟乙烯(PTFE)7种聚合物 组成。
样品真实的热量变化与曲线峰面积的关系为
m·H=K·A
式中，m——样品质量；
H——单位质量样品的焓变； A——与H相应的曲线峰面积；
K——修正系数，称仪器常数。
应用
图8所示为双酚A型聚砜-聚氧化 丙烯多嵌段共聚物的差示扫描 量热曲线。
由图可知，各样品软段相转变 温度均高于软段预聚的转变温 度（206℃）。
图7 典型的DSC曲线
热量变化与曲线峰面积的关系
考虑到样品发生热量变化（吸热或放热）时，此种变化除传导到温度 传感装置（热电偶、热敏电阻等）以实现样品（或参比物）的热量补 偿外，尚有一部分传导到温度传感装置以外的地方，因而差示扫描量 热曲线上吸热峰或放热峰面积实际上仅代表样品传导到温度传感器装 置的那部分热量变化。
热分析
(2)如果差热峰的对称性好，可作等腰三角形处理，用峰高 乘以半峰宽峰高1/2处的宽度的方法求面积。 (3)剪纸称重法，若记录纸厚薄均匀，可将差热峰剪下来， 在分析天平上称其质量，其数值可以代表峰面积。
33
峰面积的计算
DTA峰面积的确定（基线有偏移 ） 1)分别反应开始前和反应终止后的基线延长线，它们离开 基线的点分别是Ta和Tf，联结Ta，Tp，Tf各点，便得峰面积， 这就是ICTA(国际热分析协会)所规定的方法。
14
测温热电偶的基本原理
构成差热电偶的材料为镍铬合金或铂铑合金，较常用的为铂 铑合金热电偶。取直径相同、长度相等的铂丝两根，取直径 与铂丝相等而长度适中的铂--铑合金丝一段，在弧光焰上， 将铂--铑合金丝的两端分别焊接于两根铂丝上，这样就制成 了铂－铂铑差热电偶。
15
测温热电偶的基本原理
16
差热分析仪器结构
8
测温热电偶的基本原理
由物理学得知，在金属中存在着许多自由电 子，这些电子能够在金属离子构成的晶体点 阵里自由移动，即作不规则的热运动。在通 常的温度下，电子虽然作热运动，却不会从 金属中逸出。电子要从金属中逸出，就得消 耗一定的功，这个功叫做逸出功。
9
测温热电偶的基本原理
当两种金属接触时，不规则热运动的电子将从一种金属转移 到另一种金属中去。假定有两种金属A和B，假定电子从金属 A中逸出的功大于由金属B中逸出的功，即VA＞VB 。电子就 会从金属B中逸出而转移到金属A中。金属A中有过多的电子， 金属B中的电子少。金属A带负电，而金属B带正电。两金属 间就产生电位差VAB。电位VAB的存在，就出现一个电场。电 场阻止电子继续迁移到金属A中。电位差VAB 等于VB 与VA之 差，即：
34
物质产生热效应（吸热和放热）的原因
33
峰面积的计算
DTA峰面积的确定（基线有偏移 ） 1)分别反应开始前和反应终止后的基线延长线，它们离开 基线的点分别是Ta和Tf，联结Ta，Tp，Tf各点，便得峰面积， 这就是ICTA(国际热分析协会)所规定的方法。
14
测温热电偶的基本原理
构成差热电偶的材料为镍铬合金或铂铑合金，较常用的为铂 铑合金热电偶。取直径相同、长度相等的铂丝两根，取直径 与铂丝相等而长度适中的铂--铑合金丝一段，在弧光焰上， 将铂--铑合金丝的两端分别焊接于两根铂丝上，这样就制成 了铂－铂铑差热电偶。
15
测温热电偶的基本原理
16
差热分析仪器结构
8
测温热电偶的基本原理
由物理学得知，在金属中存在着许多自由电 子，这些电子能够在金属离子构成的晶体点 阵里自由移动，即作不规则的热运动。在通 常的温度下，电子虽然作热运动，却不会从 金属中逸出。电子要从金属中逸出，就得消 耗一定的功，这个功叫做逸出功。
9
测温热电偶的基本原理
当两种金属接触时，不规则热运动的电子将从一种金属转移 到另一种金属中去。假定有两种金属A和B，假定电子从金属 A中逸出的功大于由金属B中逸出的功，即VA＞VB 。电子就 会从金属B中逸出而转移到金属A中。金属A中有过多的电子， 金属B中的电子少。金属A带负电，而金属B带正电。两金属 间就产生电位差VAB。电位VAB的存在，就出现一个电场。电 场阻止电子继续迁移到金属A中。电位差VAB 等于VB 与VA之 差，即：
34
物质产生热效应（吸热和放热）的原因
热分析技术
26
TG 篇 – 共混物和共聚物的组成分析
• 共聚物的热稳定性总是介于两种均聚物的 热稳定性之间，且随组成比的变化而变化； 共混物则出现各组份的失重，而且是各组 份纯物质的失重乘以百分含量叠加的结果。
27
PC/PBT 共混材料的热分解
28
2 差热分析(DTA)
差热分析(Differential Thermal Analysis，简称 DTA)
23
TG的应用
热稳定性与热分解行为
24
• TG篇－添加剂和杂质的分析 添加剂和杂质可分为两类： 一类是挥发性的，如水、增塑剂等，它们在 树脂分解之前已先逸出； 另一类是无机填料如二氧化硅、玻璃纤维 等，它们在树脂分解后仍然残留
25
NR/SBR 橡胶中增塑剂的分解
Mass loss / % 增塑剂 质量损失: -9.87 % DTG % / min
37
从常温至800℃范围内发生了三次热失重反应 1：220 ℃附近，约失重12％;
2：500 ℃时，累计失重约20％；
3：740 ℃ 时，累计失重约30％ 对应的DTA曲线上，也出现了三次热反应
38
结合该物质的分子量进行分析，最后 得出它们所对应的化学反应过程为：
-H2O -CO -CO2
CaC2O4﹒H2O----CaC2O4----CaCO3----CaO
16
影响热分析测量的实验因素
升温速率 （1）提高升温速率使反应的起始温度 Ti ， 峰温Tp和终止温度Tf增高。 （ 2 ）快速升温是将反应推向在高温区以更快的速 度进行，即不仅使 DTA曲线的峰温 Tp升高，且峰 幅变窄，呈尖高状。 （ 3 ）对多阶反应，慢速升温有利于阶段反应的相 互分离。
热分析方法的原理和应用
• Freeman-Carroll 方法 由一条热分析曲线（如TG）上的若干点的质量损失率
、质量损失速率、温度的倒数，求出相邻点间的差值，再 使用公式，通过作图法求得活化能E与反应级数n
• 极值法 在TG、DTG曲线上取包括峰值在内的一系列重量～温
度值，使用公式，利用作图法求得活化能E、频率因子A 与反应级数n
TG 曲线
图中所示的反应单从 TG 曲线上看，有点像一个单一步骤的过程
DTG
DTG 曲线
但从微分（DTG）曲线则明显区分出分解分为两个相邻的阶段
Sample
热重分析仪（TG）原理图
Furnace
Ba la nc e
NETZSCH 热重分析仪： TG 209 C Iris®
FT(IR23g0a癈s )cell
药物熔点的测定
药物纯度的测定
❖ 依据van’t Hoff方程 ：
T = T0 - (RT02c / DHo).(1/F)
c = (T0 - Tm).DH0 / RT0
T / K为样品熔化过程中某一瞬间的温度；T0 / K为纯
化合物的熔点；Tm /K为样品的熔点; F为温度T时被测
样品熔化的摩尔分数, DH0 为熔化焓，c为样品中杂
质的分数。 ❖ 以熔化过程中样品温度T对1/F作图, 应为一直线,其截
速率常数 k 的意义
阿仑尼乌斯方程：k = A ·e -Ea/RT • A：指前因子，又称频率因子，与活化分子转化成产物分
子的速率有关。 • E方a：能活参化与能反应。，反其应大体小系反中映具了有反活应化速能率E随a 的温“度活的化变分化子程”度
。随着温度的升高，活化分子数增多，更多的分子具有了 活化能。活化能较大的反应，升高温度能够显著加快反应 速率，活化能较小的反应则反之。 • R：摩尔气体常数，R ＝ 8.314 J·K-1·mol-1
、质量损失速率、温度的倒数，求出相邻点间的差值，再 使用公式，通过作图法求得活化能E与反应级数n
• 极值法 在TG、DTG曲线上取包括峰值在内的一系列重量～温
度值，使用公式，利用作图法求得活化能E、频率因子A 与反应级数n
TG 曲线
图中所示的反应单从 TG 曲线上看，有点像一个单一步骤的过程
DTG
DTG 曲线
但从微分（DTG）曲线则明显区分出分解分为两个相邻的阶段
Sample
热重分析仪（TG）原理图
Furnace
Ba la nc e
NETZSCH 热重分析仪： TG 209 C Iris®
FT(IR23g0a癈s )cell
药物熔点的测定
药物纯度的测定
❖ 依据van’t Hoff方程 ：
T = T0 - (RT02c / DHo).(1/F)
c = (T0 - Tm).DH0 / RT0
T / K为样品熔化过程中某一瞬间的温度；T0 / K为纯
化合物的熔点；Tm /K为样品的熔点; F为温度T时被测
样品熔化的摩尔分数, DH0 为熔化焓，c为样品中杂
质的分数。 ❖ 以熔化过程中样品温度T对1/F作图, 应为一直线,其截
速率常数 k 的意义
阿仑尼乌斯方程：k = A ·e -Ea/RT • A：指前因子，又称频率因子，与活化分子转化成产物分
子的速率有关。 • E方a：能活参化与能反应。，反其应大体小系反中映具了有反活应化速能率E随a 的温“度活的化变分化子程”度
。随着温度的升高，活化分子数增多，更多的分子具有了 活化能。活化能较大的反应，升高温度能够显著加快反应 速率，活化能较小的反应则反之。 • R：摩尔气体常数，R ＝ 8.314 J·K-1·mol-1
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加 热 器
基本原理
• 检测质量的变化最常用的办法就是用热天平，测量的原理有两种， 可分为变位法和零位法。
• 所谓变位法，是根据天平梁倾斜度与质量变化成比例的关系，用 差动变压器等检知倾斜度，并自动记录。 • 零位法是采用差动变压器法、光学法测定天平梁的倾斜度，然后 去调整安装在天平系统和磁场中线圈的电流，使线圈转动恢复天 平梁的倾斜，即所谓零位法。由于线圈转动所施加的力与质量变 化成比例，这个力又与线圈中的电流成比例，因此只需测量并记 录电流的变化，便可得到质量变化的曲线。
沸点、热分解反应过程分析 与脱水量测定等，生成挥发 性物质的固相反应分析、固 体与气体反应分析等。 分析研究范 围与DTA大 致相同，但 能定量测定 多种热力学 和动力学参 数，如比热、 反应热、转 变热、反应 速度和高聚 物结晶度等
熔化及结晶转变、 氧化还原反应、 裂解反应等的分 析研究、主要用 于定性分析。
DTA的应用
• 水合草酸钙反应过程与机理 CaC2O4· H2O CaC2O4
分解出CO燃烧
CaCO3
CaO
失H2 O
分解出CO2
DTA的应用
• 蜡状材料熔融温度的测定
蜡状材料DTA曲线
差示扫描量热法（DSC）
基本概念
• 差示扫描量热法（ DSC ）：在程序控制温度下，
测量输入到试样和参比物的热流量差或功率差与温度关 系的一种技术。
热重仪
耐震性强，无须选择设置场所
可进行高灵敏度测定
TG的基线极为稳定 温度范围：
室温～1000℃/1500℃
最大样品量：1g
岛津TG-50/50H
TG仪器介绍
样品盘
• TGA中唯一与样 品接触的部分 • -需具耐腐蚀﹑抗 氧化﹑耐酸碱﹑ 易清 理等特质
气体
• (a)天平气氛控制 • (b)样品气氛控制 • (c)气动式移动炉 体石英管柱
校正设计
• （a ）基线校正
TG必须定期做基线校 正，保证测试结果准 确。
• (b )质量校正：用 标准砝码校正
TG曲线
• 由热重法试验得到的曲线，亦称TG曲线。
重量 mg
TG曲线上，质量基本不变的部分， 如前图中的 AB 和 CD。 起始分解温度 Ti 终止分解温度 Tf 外推起始温度 Tei
失重前的基线的延长线与TG曲线拐点 （最大失重速率）处的切线的交点所对 应的温度，如前图中的 Tei 点。
定量分析
依据：峰面积。ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ为峰面积
反映了物质的热效应（热
焓），可用来定量计算参与 反应的物质的量或测定热化
学参数。
DTA的应用
• 共混聚合物的鉴定
•依据共混物DTA曲线上的特征峰(熔融吸热峰)确定共混物由高密度聚乙
烯(HDPE)、低密度聚乙烯(LDPE)、聚丙烯(PP)、聚甲醛(POM)、尼龙 6(Nylon 6)、尼龙66(Nylon 66)和聚四氟乙烯(PTFE)7种聚合物组成
物理性质 尺寸
力学特性
质量
声学特性
光学特性 电学特性 磁学特性
温度 热量
DTA DSC MDSC
方法名称 热膨胀法 热机械分析 动态热机械法 热发声法 热传声法 热光学法 热电学法 热磁学法
简称
TMA DMA
测定 加热
物理变化 物 质 热力学性质等 化学变化
冷却
研究物质变化过程
主要的热分析方法的温度范围及其应用
基本原理
• 通过程序控温仪使加热电炉按一定的升温速率升温(或恒温)。当被 测试样发生质量变化，光电传感器能将质量变化转化为直流电讯 号。此讯号经测重电子放大器放大并反馈至天平动圈，产生反向 电磁力矩，驱使天平梁复位。反馈形成的电位差与质量变化成正 比(即可转变为样品的质量变化)。其变化信息通过记录仪描绘出热 重(TG)曲线，
Tr
Ts
Tw
DTA原理图
DTA曲线术语
基线：ΔT近似于0的区段(AB,DE段)。 峰：离开基线后又返回基线的区段( 如BCD)。 吸热峰、放热峰 峰宽：离开基线后又返回基线之间 的温度间隔(或时间间隔)(B’D’)。 峰高：垂直于温度 ( 或时间 ) 轴的峰 顶到内切基线之距离(CF)。 峰面积：峰与内切基线所围之面积 (BCDB)。 外推起始点 ( 出峰点 ) ：峰前沿最大 斜率点切线与基线延长线的交点(G)。
热重量分析法（TG或TGA）
基本概念
• 热重分析，是指在程序控制温度下测量待测样品的质量与温度变 化关系的一种热分析技术，用来研究材料的热稳定性和组份。 • TG在研发和质量控制方面都是比较常用的检测手段。热重分析在 实际的材料分析中经常与其他分析方法连用，进行综合热分析， 全面准确分析材料。
微量热 天平 铂金样 品盘
样品方面的影响
• 试样量的影响 • 试样粒度、形状的 影响 • 试样装填的影响
仪器的影响
• 坩埚材料的影响
要求在实验过程中，坩埚材料对试样、产物（包括中间产物）、气氛等都是惰性的，并 且不起催化作用。
1、对于碱性物质（如碳酸氢钠等）不能使用石英、陶瓷类坩埚；含氟的 高聚物与硅形成硅的化合物，也不能使用这类坩埚。 2、铂对许多有机、无机反应有催化作用。这时候不能使用铂坩埚。
PTFE 31.5%
炭黑 18.0%
SiO2 50.5%
聚四氟乙烯中炭黑和SiO2的含量确定
TG的应用
• 4. 研究聚合物固化 静态热重分析，适用于固化 过程中失去低分子物的缩聚 反应。
利用酚醛树脂固化过程中 生成水，测定脱水失重量 最多的固化温度，其固化 程度最佳。
TG的应用
• 热重分析法可以应用的范围相当广，除了在高分子领域的应用外， 其他方面如： • 1、在耐火材料科研和生产中常用热重法来鉴别耐火原料中各类矿 物及其含量，如测定菱镁矿、白云石中MgCO3和CaCO3及其分解产 物CO2的含量等，其中CO2流出造成试料的重量变化，至于反应中 若没有造成重量的变化，则热重分析仪无法分析，此时可以搭配 热差分析仪或示差扫描热量分析仪来作分析。
研究生课程学习
现代仪器分析
—— 热 分 析
热分析定义与分类
• 热分析——在程序控制温度下，测量物质的物理性质与温度的关 系的一类技术。
物理性质 方法名称 热重法 等压质量变化测定 逸出气检测 逸出气分析 放射热分析 热微粒分析 升温曲线测定 差热分析 差示扫描量热法 调制式差示扫描量热法 简称 TG EGD EGA
(a)
(b)
• 在粒度和形状上，对试样要尽量均匀， 最好过筛。
(c)
• 试样装填均匀，同时也避免过密和过松。
150
160
170
180
温度（C） （a）原始试样 （b）稍微粉碎的试样 （c）仔细研磨的试样
DTA的应用
定性分析
定性表征和鉴别物质 依据：峰温、形状和峰数目。 方法： 将实测样品DTA曲线与各种化合物的 标准（参考）DTA曲线对照；或者，与 其它热分析曲线结合分析。
40
20
Peak: 414.0 °C
-25 -30 500 600
0 100 200 300
400 Temperature /°C
TG的应用
• 2.高聚物的热稳定性比较
mg 重量
•
PVC 10mg 5 C /min N2
PI
PMMA
PTFE
HDPE
五种高聚物的TG曲线
温
度
C
TG的应用
• 3、组分分析
差热分析法（DTA）
E
放热 放热峰
o
A
基线
C
D
基线
吸热峰 吸热
B 温度 C
典型的DTA曲线
基本概念
差热分析是在程序控制温度下，测量物质与参比物之间 的温度差随温度变化的一种技术。 参比物：在测量温度范围内不发生任何热效应的物质， 如Al2O3、MgO等
当试样发生任何物理（如相转变、熔化、结晶、升华等） 或化学变化时，所释放或吸收的热量使试样温度高于或 低于参比物的温度，试样和参比物之间就出现温度差， 温度差随温度变化的曲线称差热曲线或DTA曲线。
基本原理
热电偶与差示热电偶:
测量温度用的热电偶 系统，即T热电偶。
测量温度差用的热电 偶系统，即△T热电偶。
这样组合同时也可测 得参照体系的温度以 及其温差值。
基本原理
处在加热炉和均温块内的试样和参比物在相同的条件下加热或冷却。炉温的程序控制 由控温热电偶监控。试样和参比物之间的温度差通常用对接的两支热电偶进行测定。 热电偶的两个接点分别与盛装试样和参比物的坩埚底部接触，或者分别直接插入试样 和参比物中。 热电偶 参比物 试样 电热丝 均温块 由于热电偶的电动势与 试样和参比物之间的温 差成 正比，温差电动势 经放大后由X-Y记录仪直 接把试样和参比物之间 的温差 △T 记录下来。
A
B
Tei
Tef Ti 典型的TG曲线
C
D Tf 温 度 C
外推终止温度 Tef
失重后的基线的延长线与TG曲线拐点（最大失重速率）处的 切线的交点所对应的温度，如前图中的 Tef点。
影响TG曲线的因素
1、试样量的影响 用热重法测定时 ,试样量要求要少 ,一般2～5 mg。一方面是因 为仪器天平灵敏度很高(可达0.1μg) ,另一方面如果试样量多 ,传达 质阻力增大 ,试样内部温度梯度变大 ,甚至试样产生热效应会使试 样温度偏离线性程序升温 ,使 TG曲线发生变化。样品用量大 ,不仅 样品内部温度梯度大 ,而且反应产物的扩散作用也慢 ,因此热重分 析时应尽量使用少量的样品 2、升温速率的影响 升温速率越快 ,温度滞后越严重。 3、气氛的影响 吹扫气体的改变对 TG曲线的影响非常显著。
影响TG曲线的因素
基本原理
• 检测质量的变化最常用的办法就是用热天平，测量的原理有两种， 可分为变位法和零位法。
• 所谓变位法，是根据天平梁倾斜度与质量变化成比例的关系，用 差动变压器等检知倾斜度，并自动记录。 • 零位法是采用差动变压器法、光学法测定天平梁的倾斜度，然后 去调整安装在天平系统和磁场中线圈的电流，使线圈转动恢复天 平梁的倾斜，即所谓零位法。由于线圈转动所施加的力与质量变 化成比例，这个力又与线圈中的电流成比例，因此只需测量并记 录电流的变化，便可得到质量变化的曲线。
沸点、热分解反应过程分析 与脱水量测定等，生成挥发 性物质的固相反应分析、固 体与气体反应分析等。 分析研究范 围与DTA大 致相同，但 能定量测定 多种热力学 和动力学参 数，如比热、 反应热、转 变热、反应 速度和高聚 物结晶度等
熔化及结晶转变、 氧化还原反应、 裂解反应等的分 析研究、主要用 于定性分析。
DTA的应用
• 水合草酸钙反应过程与机理 CaC2O4· H2O CaC2O4
分解出CO燃烧
CaCO3
CaO
失H2 O
分解出CO2
DTA的应用
• 蜡状材料熔融温度的测定
蜡状材料DTA曲线
差示扫描量热法（DSC）
基本概念
• 差示扫描量热法（ DSC ）：在程序控制温度下，
测量输入到试样和参比物的热流量差或功率差与温度关 系的一种技术。
热重仪
耐震性强，无须选择设置场所
可进行高灵敏度测定
TG的基线极为稳定 温度范围：
室温～1000℃/1500℃
最大样品量：1g
岛津TG-50/50H
TG仪器介绍
样品盘
• TGA中唯一与样 品接触的部分 • -需具耐腐蚀﹑抗 氧化﹑耐酸碱﹑ 易清 理等特质
气体
• (a)天平气氛控制 • (b)样品气氛控制 • (c)气动式移动炉 体石英管柱
校正设计
• （a ）基线校正
TG必须定期做基线校 正，保证测试结果准 确。
• (b )质量校正：用 标准砝码校正
TG曲线
• 由热重法试验得到的曲线，亦称TG曲线。
重量 mg
TG曲线上，质量基本不变的部分， 如前图中的 AB 和 CD。 起始分解温度 Ti 终止分解温度 Tf 外推起始温度 Tei
失重前的基线的延长线与TG曲线拐点 （最大失重速率）处的切线的交点所对 应的温度，如前图中的 Tei 点。
定量分析
依据：峰面积。ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ为峰面积
反映了物质的热效应（热
焓），可用来定量计算参与 反应的物质的量或测定热化
学参数。
DTA的应用
• 共混聚合物的鉴定
•依据共混物DTA曲线上的特征峰(熔融吸热峰)确定共混物由高密度聚乙
烯(HDPE)、低密度聚乙烯(LDPE)、聚丙烯(PP)、聚甲醛(POM)、尼龙 6(Nylon 6)、尼龙66(Nylon 66)和聚四氟乙烯(PTFE)7种聚合物组成
物理性质 尺寸
力学特性
质量
声学特性
光学特性 电学特性 磁学特性
温度 热量
DTA DSC MDSC
方法名称 热膨胀法 热机械分析 动态热机械法 热发声法 热传声法 热光学法 热电学法 热磁学法
简称
TMA DMA
测定 加热
物理变化 物 质 热力学性质等 化学变化
冷却
研究物质变化过程
主要的热分析方法的温度范围及其应用
基本原理
• 通过程序控温仪使加热电炉按一定的升温速率升温(或恒温)。当被 测试样发生质量变化，光电传感器能将质量变化转化为直流电讯 号。此讯号经测重电子放大器放大并反馈至天平动圈，产生反向 电磁力矩，驱使天平梁复位。反馈形成的电位差与质量变化成正 比(即可转变为样品的质量变化)。其变化信息通过记录仪描绘出热 重(TG)曲线，
Tr
Ts
Tw
DTA原理图
DTA曲线术语
基线：ΔT近似于0的区段(AB,DE段)。 峰：离开基线后又返回基线的区段( 如BCD)。 吸热峰、放热峰 峰宽：离开基线后又返回基线之间 的温度间隔(或时间间隔)(B’D’)。 峰高：垂直于温度 ( 或时间 ) 轴的峰 顶到内切基线之距离(CF)。 峰面积：峰与内切基线所围之面积 (BCDB)。 外推起始点 ( 出峰点 ) ：峰前沿最大 斜率点切线与基线延长线的交点(G)。
热重量分析法（TG或TGA）
基本概念
• 热重分析，是指在程序控制温度下测量待测样品的质量与温度变 化关系的一种热分析技术，用来研究材料的热稳定性和组份。 • TG在研发和质量控制方面都是比较常用的检测手段。热重分析在 实际的材料分析中经常与其他分析方法连用，进行综合热分析， 全面准确分析材料。
微量热 天平 铂金样 品盘
样品方面的影响
• 试样量的影响 • 试样粒度、形状的 影响 • 试样装填的影响
仪器的影响
• 坩埚材料的影响
要求在实验过程中，坩埚材料对试样、产物（包括中间产物）、气氛等都是惰性的，并 且不起催化作用。
1、对于碱性物质（如碳酸氢钠等）不能使用石英、陶瓷类坩埚；含氟的 高聚物与硅形成硅的化合物，也不能使用这类坩埚。 2、铂对许多有机、无机反应有催化作用。这时候不能使用铂坩埚。
PTFE 31.5%
炭黑 18.0%
SiO2 50.5%
聚四氟乙烯中炭黑和SiO2的含量确定
TG的应用
• 4. 研究聚合物固化 静态热重分析，适用于固化 过程中失去低分子物的缩聚 反应。
利用酚醛树脂固化过程中 生成水，测定脱水失重量 最多的固化温度，其固化 程度最佳。
TG的应用
• 热重分析法可以应用的范围相当广，除了在高分子领域的应用外， 其他方面如： • 1、在耐火材料科研和生产中常用热重法来鉴别耐火原料中各类矿 物及其含量，如测定菱镁矿、白云石中MgCO3和CaCO3及其分解产 物CO2的含量等，其中CO2流出造成试料的重量变化，至于反应中 若没有造成重量的变化，则热重分析仪无法分析，此时可以搭配 热差分析仪或示差扫描热量分析仪来作分析。
研究生课程学习
现代仪器分析
—— 热 分 析
热分析定义与分类
• 热分析——在程序控制温度下，测量物质的物理性质与温度的关 系的一类技术。
物理性质 方法名称 热重法 等压质量变化测定 逸出气检测 逸出气分析 放射热分析 热微粒分析 升温曲线测定 差热分析 差示扫描量热法 调制式差示扫描量热法 简称 TG EGD EGA
(a)
(b)
• 在粒度和形状上，对试样要尽量均匀， 最好过筛。
(c)
• 试样装填均匀，同时也避免过密和过松。
150
160
170
180
温度（C） （a）原始试样 （b）稍微粉碎的试样 （c）仔细研磨的试样
DTA的应用
定性分析
定性表征和鉴别物质 依据：峰温、形状和峰数目。 方法： 将实测样品DTA曲线与各种化合物的 标准（参考）DTA曲线对照；或者，与 其它热分析曲线结合分析。
40
20
Peak: 414.0 °C
-25 -30 500 600
0 100 200 300
400 Temperature /°C
TG的应用
• 2.高聚物的热稳定性比较
mg 重量
•
PVC 10mg 5 C /min N2
PI
PMMA
PTFE
HDPE
五种高聚物的TG曲线
温
度
C
TG的应用
• 3、组分分析
差热分析法（DTA）
E
放热 放热峰
o
A
基线
C
D
基线
吸热峰 吸热
B 温度 C
典型的DTA曲线
基本概念
差热分析是在程序控制温度下，测量物质与参比物之间 的温度差随温度变化的一种技术。 参比物：在测量温度范围内不发生任何热效应的物质， 如Al2O3、MgO等
当试样发生任何物理（如相转变、熔化、结晶、升华等） 或化学变化时，所释放或吸收的热量使试样温度高于或 低于参比物的温度，试样和参比物之间就出现温度差， 温度差随温度变化的曲线称差热曲线或DTA曲线。
基本原理
热电偶与差示热电偶:
测量温度用的热电偶 系统，即T热电偶。
测量温度差用的热电 偶系统，即△T热电偶。
这样组合同时也可测 得参照体系的温度以 及其温差值。
基本原理
处在加热炉和均温块内的试样和参比物在相同的条件下加热或冷却。炉温的程序控制 由控温热电偶监控。试样和参比物之间的温度差通常用对接的两支热电偶进行测定。 热电偶的两个接点分别与盛装试样和参比物的坩埚底部接触，或者分别直接插入试样 和参比物中。 热电偶 参比物 试样 电热丝 均温块 由于热电偶的电动势与 试样和参比物之间的温 差成 正比，温差电动势 经放大后由X-Y记录仪直 接把试样和参比物之间 的温差 △T 记录下来。
A
B
Tei
Tef Ti 典型的TG曲线
C
D Tf 温 度 C
外推终止温度 Tef
失重后的基线的延长线与TG曲线拐点（最大失重速率）处的 切线的交点所对应的温度，如前图中的 Tef点。
影响TG曲线的因素
1、试样量的影响 用热重法测定时 ,试样量要求要少 ,一般2～5 mg。一方面是因 为仪器天平灵敏度很高(可达0.1μg) ,另一方面如果试样量多 ,传达 质阻力增大 ,试样内部温度梯度变大 ,甚至试样产生热效应会使试 样温度偏离线性程序升温 ,使 TG曲线发生变化。样品用量大 ,不仅 样品内部温度梯度大 ,而且反应产物的扩散作用也慢 ,因此热重分 析时应尽量使用少量的样品 2、升温速率的影响 升温速率越快 ,温度滞后越严重。 3、气氛的影响 吹扫气体的改变对 TG曲线的影响非常显著。
影响TG曲线的因素