热分析(DSC)解析PPT课件
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热分析ppt幻灯片课件(2024)
2024/1/28
26
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。
02
反应活化能计算
03
反应机理研究
利用热分析数据，可以计算化学 反应的活化能，揭示反应发生的 难易程度。
结合热分析结果，可以推测化学 反应的可能机理，为深入理解反 应过程提供依据。
2024/1/28
拟合函数选择
根据数据特点选择合适的拟合函数，如多项式、指数、对数等。
拟合参数求解
利用最小二乘法等数学方法求解拟合参数，使拟合曲线与实际数据 最佳匹配。
拟合优度评估
通过计算相关系数、残差平方和等指标评估拟合效果。
19
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 。
28
07
热分析在其他领域的 应用
2024/1/28
29
地质学领域应用
矿物鉴定
通过热分析技术可以鉴定矿物的种类和成分，为地质学研究提供重 要依据。
岩石学研究
利用热分析技术对岩石进行加热和冷却过程中的物理和化学变化研 究，有助于了解岩石的形成和演化过程。
地球化学研究
热分析技术可用于研究地球内部物质的热性质和热反应，揭示地球内 部物质循环和能量传递的机制。
2024/1/28
30
生物学领域应用
2024/1/28
生物大分子研究
通过热分析技术可以研究生物大分子（如蛋白质、核酸等）的热稳 定性和热变性行为，了解生物大分子的结构和功能关系。
生物组织研究
利用热分析技术对生物组织进行加热过程中的物理和化学变化研究 ，有助于了解生物组织的结构和功能特性。
5_热分析(DSC)解读
dH/dt
25
50
100
150
T/℃
PS相对分子质量对Tg的影响
Mn 111000 10400 5400 3630
2740 1530 650
Tg/°C 100 83 70 53
43 43 -25
PS相对分子质量与Tg的关系
120 80
Tg/
40 0 -40 0 20000 40000 60000 80000 100000 120000
1、差示扫描量热法（DSC, Differential scanning calorimeter ）
样品
功率差 参比物
程序控温
温度
W=f(T)
差热分析法（ DTA, differential thermal analyzer ）
样品
温度差 参比物
程序控温
温度
T=f(T)
DSC、DTA的比较
一般是结晶相与非结晶相共存
结晶形态复杂
5. 3 聚合物结晶中的应用
对Tm的影响 结晶形态对Tm的影响 平衡熔点的确定 结晶度 结晶动力学 液晶晶型及转变热 冷结晶
典型结晶性聚合物DSC曲线
放热
dH/dT
Tg
Tm
T/oC
横坐标：T或t
纵坐标dH/dt：热流率，表示单位时间内试样热焓的变化(cal/s或J/s)
热分析的历史
DSC
TG
DTA
TMA
复合分析
印刷
现代热分析技术仪器组成
程序控温系统 测量系统 显示系统 气氛控制系统 操作控制系统 数据处理系统
与其它技术的联用性
热分析只能给出试样的重量变化及吸热或放 热情况；
解释曲线常常是困难的，特别是对多组分试 样作的热分析曲线尤其困难； 最现实的办法就是把热分析与其它仪器串接 或间歇联用，对逸出气体和固体残留物进行 连续的或间断的，在线的或离线的分析，从 而推断出反应机理。
25
50
100
150
T/℃
PS相对分子质量对Tg的影响
Mn 111000 10400 5400 3630
2740 1530 650
Tg/°C 100 83 70 53
43 43 -25
PS相对分子质量与Tg的关系
120 80
Tg/
40 0 -40 0 20000 40000 60000 80000 100000 120000
1、差示扫描量热法（DSC, Differential scanning calorimeter ）
样品
功率差 参比物
程序控温
温度
W=f(T)
差热分析法（ DTA, differential thermal analyzer ）
样品
温度差 参比物
程序控温
温度
T=f(T)
DSC、DTA的比较
一般是结晶相与非结晶相共存
结晶形态复杂
5. 3 聚合物结晶中的应用
对Tm的影响 结晶形态对Tm的影响 平衡熔点的确定 结晶度 结晶动力学 液晶晶型及转变热 冷结晶
典型结晶性聚合物DSC曲线
放热
dH/dT
Tg
Tm
T/oC
横坐标：T或t
纵坐标dH/dt：热流率，表示单位时间内试样热焓的变化(cal/s或J/s)
热分析的历史
DSC
TG
DTA
TMA
复合分析
印刷
现代热分析技术仪器组成
程序控温系统 测量系统 显示系统 气氛控制系统 操作控制系统 数据处理系统
与其它技术的联用性
热分析只能给出试样的重量变化及吸热或放 热情况；
解释曲线常常是困难的，特别是对多组分试 样作的热分析曲线尤其困难； 最现实的办法就是把热分析与其它仪器串接 或间歇联用，对逸出气体和固体残留物进行 连续的或间断的，在线的或离线的分析，从 而推断出反应机理。
DSC热分析实验课件
DSC热分析实验材料二第四组 b９1507044 孙启元一．原理示差扫描热量分析仪DSC(Dｉffeｒeｎtial Scanｎing Calorimetry),在仪器中两个试料容器有自己得加热系统及测温系统来侦测待测物即标准物得温度、DＳC得原理位一在空温得程序下,测量样品得转移温度,并测量在转移过程中所发生得热流变化与时间及温度得函数关系。
在设定得温度(或降温)过程中,仪器得控温系统将两者于测试得过程中一直保持相同得温度,由于标准不并不会有反应,当待测物发生吸热(放热)反应时,待测物一侧得测温器会侦测出因吸热(放热)反应时造成此处得温度较标准物侧得温度低(高),因此,待测物端得加热系统会叫标准物侧得加热系统额外得多输入(减少)一些热量(以电流或电压得变化),以增加(减少)待测物得温度,如此可以保持两者得温度一致。
而在测试得过程为保持两者温度相同,其所需在待测物端得额外增加或减少热量就就是待测物在测试过程中由于反应所造成得实际热量变化。
因此ＤSＣ可以用做反应或相变化等得定性及定量得实验。
DＳＣ得用途广泛,举凡各种物质得反应或相变化具有吸热或放热反应,其皆可侦测得知其反应得起始温度。
可分析得反应如金属材料得合金熔炼后得析出过程、矿物得脱水反应、有机得热聚合及硬化反应、陶瓷材料得相变化、玻璃材料得再结晶等。
至于相平衡图得制作方法,一般分为热分析法、热膨胀测定法、金相法、X—ray绕射法、电阻法等。
通常要配合多种方法方可做出图来。
热分析法:合金系统若有相变态发生,由与潜热得释放,使得冷却曲线斜率改变,可依此测得相变态温度。
当金属在熔融状态时,任何与其接触得东西,都可能成为合金得污染来源、选择坩埚时必须使其具有不溶性,并且不会与合金发生反应,因其与合金发生反应往往就是实验失败得原因。
一般来讲,我们往往会在其表面涂上一层惰性材料以避免发生反应。
二．材料与设备材料:铅、锡、铅锡合金设备:ＤSC三．实验方法仪器操作:1.将试片秤重,放在ceｌl中压成碟型(samplｅ celｌ)。
差示扫描量热法DSC测试方法PPT演示课件
典型的DSC曲线
•7
1.试样与参比物 试样：除气体外，固态，液态样品都可测定。 装样：尽量使样品薄而匀地平铺与坩埚底部，以 减少试样与器皿间的热阻。 坩埚：高聚物一般使用铝坩埚，使用温度低于 500℃， 参比物：必须具有热惰性，热容量和导热率应和 样品匹配。一般为Al2O3，样品量少时可放一空坩 埚。
Relief
Heat
Tg
Flow Start up
Transient
Ordering Process
Tm
Cold
DH
Crystallization
Curing
Degradation
Temperature
•13
五、数据处理及实验报告要求
Tg= Tc= Tm= ΔH= fc= ΔH/ ΔH* ΔH*---完全结晶的熔融热
•10
（3）气氛： 氛围气体：一般使用惰性气体，如N2，Ar，He等 主要是防止加热时样品的氧化， 减少挥发物对仪器的腐蚀. 必要时也可以压缩空气为气氛， 测定样品的氧化反应。
氛围气体不同时 DSC曲线不同
•11
四、 DSC在高聚物研究中的应用
•12
Polymer Transitions
Stress
实验目的和要求
• 了解DSC的基本原理及其应用范围 • 掌握测定聚合物熔点及其热效应的方法 • 学会DSC曲线的数据处理
•1
一、DSC的定义
差示扫描量热法(DSC)： 在程序控制温度条件下，测量输入给样品与参比物的功
率差与温度关系的一种热分析方法。
差示扫描量热仪
( Differential Scanning Calorimeter, DSC)
上海CDR-34P型
热分析谱图综合解析(精品课件)
2.5%%
Conversion
95
5%
size: 60mg
90
atm.: N 2
10%
Weight (%)
10°C
85
5°C 2.0°C
1.0°C
20%
80
200 250 300 350 400 450 500 Temperature (°C)
TGA Kinetics - Heating Rate vs. Temperature
1000/T (K-1)
1.6 1.4
1.92
1.94
1.96 1.98 2.00 2.02
1000/T (K-1)
2.04
2.06
Kissinger法和Ozawa法求反应活化能的线性回归图
表观动力学参数计算结果EK 52.46 kJ/mol，E0 57.05 kJ/mol，反应级数 0.991。
Heat Flow(W/g)
d dH 1
dt dt H
ΔH代表整个固化反应的放热量，dH/dt为热流速率，dα/dt为固化反应 速率。
（3）反应速率方程可用下式表示，其中α为固化反应程度，f(α)为α的 函数，其形式由固化机理决定，k (T)为反应速率常数，形式由
Arrhenius方程决定。
d d k(T ) f ()
ln
AR Ek
Ek RTP
式中，β ——升温速率，K/min； Tp——峰顶温度，K； A——Arrhenius指前因子，1/s； Ek——表观活化能，J/mol； R——理想气体常数，8.314 J·mol-1·K-1； f(α)——转化率α（或称作固化度）的函数。
Kissinger方法是利用微分法对热分析曲线进行动力
Conversion
95
5%
size: 60mg
90
atm.: N 2
10%
Weight (%)
10°C
85
5°C 2.0°C
1.0°C
20%
80
200 250 300 350 400 450 500 Temperature (°C)
TGA Kinetics - Heating Rate vs. Temperature
1000/T (K-1)
1.6 1.4
1.92
1.94
1.96 1.98 2.00 2.02
1000/T (K-1)
2.04
2.06
Kissinger法和Ozawa法求反应活化能的线性回归图
表观动力学参数计算结果EK 52.46 kJ/mol，E0 57.05 kJ/mol，反应级数 0.991。
Heat Flow(W/g)
d dH 1
dt dt H
ΔH代表整个固化反应的放热量，dH/dt为热流速率，dα/dt为固化反应 速率。
（3）反应速率方程可用下式表示，其中α为固化反应程度，f(α)为α的 函数，其形式由固化机理决定，k (T)为反应速率常数，形式由
Arrhenius方程决定。
d d k(T ) f ()
ln
AR Ek
Ek RTP
式中，β ——升温速率，K/min； Tp——峰顶温度，K； A——Arrhenius指前因子，1/s； Ek——表观活化能，J/mol； R——理想气体常数，8.314 J·mol-1·K-1； f(α)——转化率α（或称作固化度）的函数。
Kissinger方法是利用微分法对热分析曲线进行动力
dsc基本原理及应用图文
热性质
通过DSC可以研究材料的热性 质，如熔化、结晶、玻璃化、 化学反应等等，可以确定材料 的热稳定性、热分解过程、热 效应等。
热行为
DSC还可以研究材料的热行为， 如热膨胀、热收缩、热失重等， 可以获得材料的热物理性质。
DSC基本原理
DSC测量的基本原理是比较样品和参比体升温或降温时的温度和吸热或放热量的差异，获得材料的热性 质和热行为。
样品盒
加入少量样品
参比体盒
加入相同重量的参比体
加热曲线
用恒定速率升温或降温
输出信号
获取温度差和热量差
DSC操作流程
实施DSC需要掌握以下操作流程。
1
准备样品
确定试验目的，选取适当的样品，制
设置实验条件
2
备样品盒，精确称量。
设定加热曲线、升降温速率、环境气
氛、参比体等参数。
3
加热测量
按设定条件进行加热测量，获取输出
数据处理
4
信号。
利用计算机软件对输出信号进行峰面 积积分、基线修正、峰的识别和分析
处理。
DSC结果解读
通过峰的位置、形状、大小等参数可以解读DSC结果。
热分解温度
物质分解的最小温
DSC的应用领域
DSC广泛应用于材料研究和质量控制的领域。
半导体
研究半导体材料的热稳定性、 热降解、热膨胀等性质。
食品
测量食品的糖化反应、脂质 氧化、变性、降解等行为。
制药
测量药物的热分解、热降解、 配方中药物的溶解度、相容 性等。
建筑材料
研究建筑材料的热膨胀、热 稳定性、热变形等性质。
DSC与其他测试方法的比较
和其他热分析测试方法相比，DSC有其独特的特点和优势。
热分析技术(最新版)PPT课件
特点
设备简单、操作方便、试样用量少； 但精度较低、分辨率差。
应用
研究物质的物理变化（晶型转变、熔 融、升华和吸附等）和化学变化（脱 水、分解、氧化和还原等）。
差示扫描量热法
原理
在程序控制温度下，测量输入到 物质和参比物的功率差与温度的
关系。
应用
测定多种热力学和动力学参数， 如比热容、反应热、转变热等； 研究高分子材料的结晶、熔融和
流体中由于温度差异引起的密度变 化而产生的宏观运动，是热量传递 的一种重要方式。
热辐射
物体通过电磁波的形式发射和吸收 能量，其辐射强度与物体温度、表 面性质等因素有关。
热分析中的物理量与单位
温度
热力学系统的一个物理属性，表示物体冷 热的程度，常用单位有摄氏度、华氏度、
开尔文等。
热容
物体在温度变化时所吸收或放出的热量与 其温度变化量之比，常用单位有焦耳/摄氏
环境科学领域应用
大气污染物分析
利用热分析技术可以对大气中的 污染物进行分析和鉴定，揭示大 气污染物的来源和危害。
土壤污染物分析
通过热分析技术可以分析土壤中 的污染物，评价土壤的污染程度 和生态风险。
环境样品热性质研究
利用热分析技术可以研究环境样 品的热性质，如热稳定性、热分 解温度等，为环境科学研究和环 境保护提供技术支持。
热机械分析法
原理
01
在程序控制温度下，测量物质在非振动载荷下的形变与温度的
关系。
应用
02
研究材料的热膨胀系数、玻璃化转变温度、流动温度等；评估
材料的尺寸稳定性、内应力和热震稳定性等。
特点
03
能直接测量材料的形变，反映材料的机械性能随温度的变化；
热分析谱图综合解析(汇总).ppt
d dH 1
dt dt H
ΔH代表整个固化反应的放热量，dH/dt为热流速率，dα/dt为固化反应 速率。
（3）反应速率方程可用下式表示，其中α为固化反应程度，f(α)为α的 函数，其形式由固化机理决定，k (T)为反应速率常数，形式由
Arrhenius方程决定。
d d k(T ) f ()
Stability
100
0.5% 1.0
2.5%%
Conversion
95
5%
size: 60mg
90
atm.: N 2
10%
Weight (%)
10°C
85
5°C 2.0°C
1.0°C
20%
80
200 250 300 350 400 450 500 Temperature (°C)
c
13
TGA Kinetics - Heating Rate vs. Temperature
1000/T (K-1)
1.6 1.4
1.92
1.94
1.96 1.98 2.00 2.02
1000/T (K-1)
2.04
2.06
Kissinger法和Ozawa法求反应活化能的线性回归图
表观动力学参数计算结果EK 52.46 kJ/mol，E0 57.05 kJ/mol，反应级数 0.991。
c
9
Heat Flow(W/g)
等温DSC曲线
0.2
d
0.0 c
b
-0.2
a
-0.4
a - 195 oC b - 200 oC c - 205 oC d - 210 oC
-0.6 0
20
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动态热机械分析
Dynamic Mechanical Thermal Analysis ， DMTA）
三者构成了热分析的三大支柱
占202到0年9热月28日分析总应用的75％以上。
6
1、差示扫描量热法（DSC, Differential scanning calorimeter ）
样品 参比物
功率差
程序控温
2020年9月28日
32
5.3.4 测定聚合物平衡熔点（ Tm。）
在不同温度下进行结晶的材料的熔点 （ Tm ）不同；结晶温度（ Tc）越高， Tm越高； 同一种聚合物，制备方法不同，结晶状 态就不同， Tm不同。
DSC是通过测定试样与参比物所吸收的
功率差来代表试样的热焓变化。
横坐标： T或t
纵坐标： 功率或热焓
2020年9月28日
12
4.影响DSC实验结果的因素
升(降）温速率
试样用量
试样粒度 气氛
2020年9月28日
13
升(降）温速率
越大 灵敏度越大 峰越大； 越大 热滞后越严重 峰温越高。 常用 =10oC/min（测Tg则 = 20 oC/min）
DTA DSC TG DTG
（微分热重分析）
TMA （热机械分析） DMA（动态机械分析） EGA （逸出气分析）
2
热分析装置的利用领域
•食品 •生物体･液晶 •油脂･肥皂 •洗涤剂
•医药品
熱分析の木 •香料･化妆品 •有机、无机药品 •触媒
•火药
•电子材料
•木材･纸
•建材
•公害
•工业废弃物
規格
•橡胶 •高分子･塑料 •纤维 •油墨･顔料･染料･塗料 •粘着剂
热分析定义
物质的物理性质 一类技术
在程序控制温度下 测量
P=f（T）
P---物理性质 T---温度
:
把温度看作时间的函数 T=g(t)
因此： 2020年9月28日
P=f(T或t)
1
ICTA关于热分析方法的分类
加热 物质 冷却
2020年9月28日
热量变化 重量变化 长度变化 粘弹性变化 气体发生 热传导 热光、电、磁学
越小 分辨率越高
2020年9月28日
14
不同降温速率下的DSC曲线
降温速率(oC/min)
2.5 oC 5 oC 10 oC 20 oC
2020年9月28日
15
试样用量m
同升温速率的影响规律相同。
常用m<10mg(1~6mg)
2020年9月28日
16
试样粒度
粒度越大 热阻越大 特征温度及熔融热 焓越低。
典型结晶性聚合物DSC曲线
放热
dH/dT
Tg
Tm
T/oC
横坐标：T或t
纵坐20标20年dH9月/d28t：日 热流率，表示单位时间内试样热焓的变化(cal/s或3J0/s)
5. 3.1 结晶对Tm的影响
2020年9月28日
31
PE结晶形态对Tm的影响
伸直链
从熔体缓慢冷却得到的球晶 Tm
从熔体快速冷却得到的球晶 从溶液生长得到的单晶
由于分子链是无规线团的长链状态，所以不太
容易使分子非常规则的排列，形成非常规整的 结构。
一般是结晶相与非结晶相共存
结晶形态复杂
2020年9月28日
28
5. 3 聚合物结晶中的应用
对Tm的影响 结晶形态对Tm的影响 平衡熔点的确定 结晶度 结晶动力学 液晶晶型及转变热 冷结晶
2020年9月28日
29
样品尽可能均匀；
粒度越细越好；
大块样品研磨成细粉
2020年9月28日
17
气氛
为避免氧化的发生，一般采用惰性气体
如N2、Ar、He等
2020年9月28日
18
5. DSC在高聚物中的应用
2020年9月28日
19
5.1 各种转变温度的确定
无定型聚合物玻璃化温度的确定（Tg） 结晶聚合物熔点的确定（Tm） 氧化温度
100
15022ຫໍສະໝຸດ PS相对分子质量对Tg的影响
Mn 111000
Tg/°C
100
10400
83
5400
70
3630
53
2740
43
1530
43
650
2020年9月28日
-25 23
PS相对分子质量与Tg的关系
120
80
Tg/
40
0
-40 0
2020年9月28日
20000
40000
60000
Mn
80000 100000 120000
热分析的历史
•玻璃 •金属 •陶瓷･粘土･矿物 •水泥
DSC
TG
2020年9月28日
DTA
TMA
复合分析
3
印刷
现代热分析技术仪器组成
程序控温系统 测量系统 显示系统 气氛控制系统 操作控制系统 数据处理系统
2020年9月28日
4
与其它技术的联用性
热分析只能给出试样的重量变化及吸热或放 热情况；
解释曲线常常是困难的，特别是对多组分试 样作的热分析曲线尤其困难；
温度
W=f(T)
2020年9月28日
7
差热分析法（ DTA, differential thermal analyzer ）
样品 参比物
温度差
程序控温
温度
T=f(T)
2020年9月28日
8
DSC、DTA的比较
方法
热焓
温度范围 炉子
DSC
能定量 窄
小
温度平衡 易达平衡
DTA
不能定量 宽
大
不易达平
衡
24
5.2 共混物研究
相容性判断
2020年9月28日
25
共混物相容性判断
TgA
TgB
TgAB
完全相容
T′gA T′gA
2020年9月28日
T′gB
部分相容
T′gB
完全不相容
26
5. 3 聚合物结晶
2020年9月28日
27
聚合物结晶的特点
聚合物特殊的结构使聚合物的结晶状态与其他 材料（如金属）有明显区别。
2020年9月28日
9
DSC主要特点
使用温度范围宽（-175 ℃ ~725 ℃ ） 分辨能力高 灵敏度高
2020年9月28日
10
2. DSC的仪器结构
样品支持器示意图
2020年9月28日
11
3. 功率补偿型DSC测量原理 ——零位平衡原理
通过补偿一定的功率而使样品池和参比 池的T=Tr-Ts0；
最现实的办法就是把热分析与其它仪器串接 或间歇联用，对逸出气体和固体残留物进行 连续的或间断的，在线的或离线的分析，从 而推断出反应机理。
2020年9月28日
5
主要内容
差热扫描量热 Differential Scanning Calorimeter， DSC
热失重 ThermoGravimetric Analyzer ，TG
交联（固化）温度 分解温度
液晶晶型转变温度
结晶温度
2020年9月28日
20
三种硫磺样品熔点（Tm）比较
美国
日本
中国
Tm
未处理样
125.8
128
125
品
处理后不
125.5
129
118.5
溶硫样品
2020年9月28日
21
5.1.1 PS相对分子质量对Tg的影响
dH/dt
2020年9月28日
25
50
T/℃