高分子研究方法热分析-课件
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《高分子热力学》课件
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目录
• 高分子热力学的定义与重要性 • 高分子热力学的基本概念 • 高分子热力学的特性与规律 • 高分子热力学的实验研究方法 • 高分子热力学的应用实例
01
高分子热力学的定义与 重要性
高分子热力学的定义
高分子热力学是一门研究高分子 材料在热力学平衡态和近平衡态
行为的科学。
详细描述
高分子材料的热稳定性受到分子链的刚性和化学键能的影响。一些高分子材料在高温下容易发生氧化反应或降解 反应，导致性能下降。了解材料的热分解机理和动力学对于高分子材料的应用和设计具有重要意义。
高分子材料的热力学函数与状态方程
总结词
热力学函数和状态方程是描述高分子材料热力学行为 的工具，它们可以帮助我们了解材料在不同温度和压 力下的性质和行为。
从而优化材料的性能。
高分子热力学有助于理解高分 子材料在各种环境下的行为， 为材料的应用和开发提供理论
基础。
高分子热力学的应用领域
高分子材料科学
高分子热力学为高分子材料的设计、合成和加工提供了理 论基础，有助于开发高性能、功能化的高分子材料。
聚合物工程
高分子热力学在聚合物工程领域的应用广泛，如聚合反应 过程、聚合物分离和提纯、聚合物加工成型等。
它涉及到高分子材料的热力学性 质、相行为、聚集态结构和变化
规律等。
高分子热力学的基础理论包括热 力学第一定律、第二定律和第三 定律，以及高分子溶液的热力学
理论。
高分子热力学的重要性
高分子热力学为高分子材料的 设计、合成和加工提供了理论
指导。
通过高分子热力学，可以预 测高分子材料的热稳定性、 相分离行为和聚集态结构，
分子运动论概述
分子动理论的实验验证
目录
• 高分子热力学的定义与重要性 • 高分子热力学的基本概念 • 高分子热力学的特性与规律 • 高分子热力学的实验研究方法 • 高分子热力学的应用实例
01
高分子热力学的定义与 重要性
高分子热力学的定义
高分子热力学是一门研究高分子 材料在热力学平衡态和近平衡态
行为的科学。
详细描述
高分子材料的热稳定性受到分子链的刚性和化学键能的影响。一些高分子材料在高温下容易发生氧化反应或降解 反应，导致性能下降。了解材料的热分解机理和动力学对于高分子材料的应用和设计具有重要意义。
高分子材料的热力学函数与状态方程
总结词
热力学函数和状态方程是描述高分子材料热力学行为 的工具，它们可以帮助我们了解材料在不同温度和压 力下的性质和行为。
从而优化材料的性能。
高分子热力学有助于理解高分 子材料在各种环境下的行为， 为材料的应用和开发提供理论
基础。
高分子热力学的应用领域
高分子材料科学
高分子热力学为高分子材料的设计、合成和加工提供了理 论基础，有助于开发高性能、功能化的高分子材料。
聚合物工程
高分子热力学在聚合物工程领域的应用广泛，如聚合反应 过程、聚合物分离和提纯、聚合物加工成型等。
它涉及到高分子材料的热力学性 质、相行为、聚集态结构和变化
规律等。
高分子热力学的基础理论包括热 力学第一定律、第二定律和第三 定律，以及高分子溶液的热力学
理论。
高分子热力学的重要性
高分子热力学为高分子材料的 设计、合成和加工提供了理论
指导。
通过高分子热力学，可以预 测高分子材料的热稳定性、 相分离行为和聚集态结构，
分子运动论概述
分子动理论的实验验证
高分子材料研究方法热分析
T
升温速率对峰位置的影响
10mg
----分辨率低 ----灵敏度低
2.5mg
同类样品相 比，采用相 同的量。
样品量对峰位置的影响
3. 熔点（Tm）和玻璃化转变温度（Tg）的确定
结晶聚合物的热转变温度
A endo
Tm: 峰顶A
注意：样品升温速率和 样品量不同对峰温的影 响。
无定形聚合物的热转变温度
DD endo
梯度曲线
曲线的纵坐标为质量 mg 或剩余百分数%表 示；
横坐标T为温度。用热 力学温度（K）或摄氏 温度（℃）。
曲线陡降处为样品失重区，平台区为样品的热稳定区。
6.3 TG实验技术
1. 试样量和试样皿 试样量：5-10mg 试样皿：铝、三氧化二铝或铂金
注意事项：
•对于膨胀型的材料适量减少试样量； •试样量过多，传质阻力大，使试样温度偏离线性程 序升温，TG曲线发生变化； •试样粒度越小越好，尽可能平铺； •＜600℃采用铝皿， ＞600℃采用三氧化二铝皿； •碱性样品不能采用铝皿。
DSC在聚合物中的应用
1. 聚合物玻璃化转变的研究 2. 聚合物熔融/结晶转变的研究 3. 两相聚合材料结构特征的研究 4. 聚合物的化学转变的研究 5. 用DSC曲线确定加工条件
7.4 DSC 应 用
1. 聚合物玻璃化转变的研究
聚合物非晶部分，在玻璃化转变温度以下，分子运动基本冻结， Tg以后，运动活跃，热容量变大，基线向吸热一侧偏移。
高分子材料研究方法热分析
〔优选〕高分子材料研究 方法热分析
7.1.1 Definition
Thermal Analysis
A group of techniques in which specific physical properties of a material are measured as a function of temperature
高分子研究方法-热分析(TG、TMA、DSC等)介绍精品课件
最新 PPT
2.1.2 样品的粒度和用量 Nhomakorabea样品的粒度不宜太
W
大、装填的紧密程度适
中为好。同批试验样品，
每一样品的粒度和装填
紧密程度要一致
小用量
大用量
温度
最新 PPT
2.1.3 气氛
常用气氛为空气和N2，亦使用O2、He、 H2、CO2 、Cl2和水蒸气等。气氛不同反应 机理不同。气氛与样品发生反应，则TG曲 线形状受到影响
–9.0
C
Tp
H
–11.0
200 Ti 400 500 Tf 700
T(K)
B点Ti处的累积重量变化达到热天平检测下限，称为反应起 始温度；C点Tf处已检测不出重量的变化，称为反应终了温 度；Ti 或Tf亦可用外推法确定，分为G点H点 亦可取失重达到某一预定值最(5新%PP、T 10%等)时的温度作为Ti
Curie Temperature (C)
155
358
599
622
最新 PPT
770 1130
然伴随另一种或几种物理性质的变化，即 P = f (T)
监测温度引起的性质变化，可分析出结构信息、机理信息等。 按一定规律设计温度变化，即程序控制温度：
T = (t)
故性质既是温度的函数也是时间的函数： P = f (T or t)
最新 PPT
上述物理性质主要包括重量、温度、能量、尺寸、 力学、声、光、热、电等，不同热分析技术可监测不 同性质
物理性质 重量 热量 尺寸
模量or 柔量 介电常数
热分析技术名称 热重分析法
示差扫描量热法 热机械法
动态力学分析 热电分析
最新 PPT
缩写 TG DSC TMA DMTA DETA
最新高分子研究方法-热分析(TG、TMA、DSC等)介绍
热分析 (Thermal Analysis)
1. 概述 2. 热重分析 (TG) 3. 热机械分析 (TMA) 4. 示差扫描量热法 (DSC) 5. 动态力学分析 (DMTA) 6. 介电分析 (DETA)
高分子研究方法-热分析(TG、TMA、 DSC等)介绍
第一章 热分析技术概述
一、什么是热分析 热分析的本质是温度分析。物质经历温度变化的同时，必
1891年，英国人使用示差热电偶和参比物，记录样品与参照物 间存在的温度差，大大提高了测定灵敏度，发明了差热分析 (DTA)技术的原始模型 1915年，日本(俄国)人在分析天平的基础上研制出热天平，开创 了热重分析(TG)技术 1940-1960年，热分析向自动化、定量化、微型化方向发展 1 9 6 4 年 ， 美 国 人 在 DTA 技 术 的 基 础 上 发 明 了 示 差 扫 描 量 热 法 (DSC), Perkin-Elmer公高司分子率研先究方研法-热制分了析(TDG、SCTM-A1、型示差扫描量热仪
物理性质 重量 热量 尺寸
模量or 柔量 介电常数
热分析技术名称 热重分析法
示差扫描量热法 热机械法
动态力学分析 热电分析
高分子研究方法-热分析(TG、TMA、 DSC等)介绍
缩写 TG DSC TMA DMTA DETA
二、热分析简史
1887年，法(德)国人第一次用热电偶测温的方法研究粘土矿物在 升温过程中的热性质的变化
2.1 影响热重测定的因素
2.1.1 升温速度
升温速度越快，温 度滞后越大，Ti及Tf越 高，反应温度区间也越 宽。建议高分子试样为 5 ~10K/min， 无 机 、 金 属试样为10~20K/min
重量分数
0.42 2.5 10 40 100 240 480 K／min
1. 概述 2. 热重分析 (TG) 3. 热机械分析 (TMA) 4. 示差扫描量热法 (DSC) 5. 动态力学分析 (DMTA) 6. 介电分析 (DETA)
高分子研究方法-热分析(TG、TMA、 DSC等)介绍
第一章 热分析技术概述
一、什么是热分析 热分析的本质是温度分析。物质经历温度变化的同时，必
1891年，英国人使用示差热电偶和参比物，记录样品与参照物 间存在的温度差，大大提高了测定灵敏度，发明了差热分析 (DTA)技术的原始模型 1915年，日本(俄国)人在分析天平的基础上研制出热天平，开创 了热重分析(TG)技术 1940-1960年，热分析向自动化、定量化、微型化方向发展 1 9 6 4 年 ， 美 国 人 在 DTA 技 术 的 基 础 上 发 明 了 示 差 扫 描 量 热 法 (DSC), Perkin-Elmer公高司分子率研先究方研法-热制分了析(TDG、SCTM-A1、型示差扫描量热仪
物理性质 重量 热量 尺寸
模量or 柔量 介电常数
热分析技术名称 热重分析法
示差扫描量热法 热机械法
动态力学分析 热电分析
高分子研究方法-热分析(TG、TMA、 DSC等)介绍
缩写 TG DSC TMA DMTA DETA
二、热分析简史
1887年，法(德)国人第一次用热电偶测温的方法研究粘土矿物在 升温过程中的热性质的变化
2.1 影响热重测定的因素
2.1.1 升温速度
升温速度越快，温 度滞后越大，Ti及Tf越 高，反应温度区间也越 宽。建议高分子试样为 5 ~10K/min， 无 机 、 金 属试样为10~20K/min
重量分数
0.42 2.5 10 40 100 240 480 K／min
最新高分子研究方法-热分析(TG、TMA、DSC等)介绍
Temperature/ C
PBT53.8%，PTFE12.3%，热分解灰份3.8%，剩余物为玻纤 高分子研究方法-热分析(TG、TMA、 DSC等)介绍
TG/%
DTG/%/min
2
100
TG
–21.6%
0
80 DTG
60
257.27C
–28.9% 467.3C
-2 –96.8% 734.3C total -4
DSC等)介绍
TG/% 100
80
TG DTG
60
40
20
0 200 300
N2/O2 600C
DTG/%/min 10
0
–98.1%
630.6C
-10
-20
-30
-40
-50
497.3C
–1.9%
-60
-70 400 500 600 700 800
Temperature/ C
碳黑填充聚乙烯，20 K/min，PE 98.1%，Carbon-black 1.9%。 高分子研究方法-热分析(TG、TMA、 DSC等)介绍
热分析 (Thermal Analysis)
1. 概述 2. 热重分析 (TG) 3. 热机械分析 (TMA) 4. 示差扫描量热法 (DSC) 5. 动态力学分析 (DMTA) 6. 介电分析 (DETA)
高分子研究方法-热分析(TG、TMA、 DSC等)介绍
第一章 热分析技术概述
一、什么是热分析 热分析的本质是温度分析。物质经历温度变化的同时，必
Temperature/ C
丁苯橡胶，10K/min
高分子研究方法-热分析(TG、TMA、
DSC等)介绍
热分析ppt课件
29
我们可选择不同的温度，得到其等温结晶曲线，分别 求出其n、Z和K（结晶速率常数）值。利用阿累尼乌
斯公式: K Aexp(E / RT) 1
从K与 T 的关系还可以求出该物质的结晶活化能E。式
中A为频率因子，E为结晶活化能。
30
1 2
问题:非晶和结晶的全同立构 聚苯乙烯的动态力学模量曲 线有何区别，为什么？
图4-31 全同立构聚苯乙烯的动态力学性
能.1．非晶的；2．结晶的
25
三、应用题
1. TG法研究高聚物裂解反应动力学和测定活化能
反应动力学方程： v d kf ( )
失重率 w0 wtdt
w0
阿累尼乌斯公式：
17
7’.热固性树脂（如环氧树脂）的交 联固化过程的研究 除了DSC外，动态力学方法也是 研究环氧树脂固化反 应过程、 固化动力学的一种重要手段。
0.5
1.5
0
-0.5
1 LOG p2 -1.0
-1.5
-2.0
................................................................
12
DSC /(mW/mg) 放热
0.9
4.计算样品结晶度
0.8
面积: 45.05 J/g
0.7
面积: -29.13 J/g
0.6
0.5
[4.1]
0.4
0.3
结晶度: 11.37 %
0.2
0.1
50
100
150
200
250
温度 /℃
14
5.什么叫过冷度？它的大小表征什么？ 过冷度：Td=Tm-Tc 采用的热分析方法及吸放热方向
我们可选择不同的温度，得到其等温结晶曲线，分别 求出其n、Z和K（结晶速率常数）值。利用阿累尼乌
斯公式: K Aexp(E / RT) 1
从K与 T 的关系还可以求出该物质的结晶活化能E。式
中A为频率因子，E为结晶活化能。
30
1 2
问题:非晶和结晶的全同立构 聚苯乙烯的动态力学模量曲 线有何区别，为什么？
图4-31 全同立构聚苯乙烯的动态力学性
能.1．非晶的；2．结晶的
25
三、应用题
1. TG法研究高聚物裂解反应动力学和测定活化能
反应动力学方程： v d kf ( )
失重率 w0 wtdt
w0
阿累尼乌斯公式：
17
7’.热固性树脂（如环氧树脂）的交 联固化过程的研究 除了DSC外，动态力学方法也是 研究环氧树脂固化反 应过程、 固化动力学的一种重要手段。
0.5
1.5
0
-0.5
1 LOG p2 -1.0
-1.5
-2.0
................................................................
12
DSC /(mW/mg) 放热
0.9
4.计算样品结晶度
0.8
面积: 45.05 J/g
0.7
面积: -29.13 J/g
0.6
0.5
[4.1]
0.4
0.3
结晶度: 11.37 %
0.2
0.1
50
100
150
200
250
温度 /℃
14
5.什么叫过冷度？它的大小表征什么？ 过冷度：Td=Tm-Tc 采用的热分析方法及吸放热方向
第7章 高分子材料的热学性能PPT课件
1 m
式中：Q为热量，E为内能，H为焓
cp cv
cpcv V 2VmT/
材料科学与工程学院
5
高分子材料的热容随温度的变化
材料科学与工程学院
6
表7-1 一些工程材料的比热容
陶瓷 氧化铝 氧化镁 熔融氧化硅 钙钠玻璃
Cp,m
金属
775 铝 940 铁 740 镍 840 316不锈钢
Cp,m
高聚物
第7章 高分子材料的热学性能
本章内容
热学性能：包括热容，热膨胀和热传导等。 本章讨论热学性能的物理概念、物理本质、影响因素、 测量方法及在高分子材料研究中的应用。
热容、热膨胀、热传导 高聚物的形变-温度曲线 高分子材料的耐热性 高分子材料的热稳定性 热分析在高分子材料研究中的应用
材料科学与工程学院
材料科学与工程学院
13
热膨胀与其他性能的关系 1 热膨胀和热容的关系
热膨胀系数与热容 密切相关并有着相 似的规律
材料科学与工程学院
14
2 热膨胀和结合能、熔点的关系
➢结合力越强的材料，热膨胀系数越小 ➢结合能大的熔点较高， 通常熔点高、膨胀系数小
格留乃申晶体热膨胀极限方程：
T m (V T mV 0)/V 0C
VTm为熔点温度时的体积；V0为0K时的体积； 立方和六方金属，C为0.06~0.076
材料科学与工程学院
15
影响材料热膨胀系数的因素
1 化学成分 成分相同的材料，结构不同，热膨胀系数也不同
2 键强度 键强度高的材料，有低的热膨胀系数
3 晶体结构 结构紧密的晶体热膨胀系数都较大，而非晶态
结构比较松散的材料，有较小的热膨胀系数
辐射传热中，容积热容相当于提高辐射温度所需能量
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；
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Curie Temperature (C) 155 358 599 622 770 1130
模量or 柔量 介电常数
热分析技术名称 热重分析法
示差扫描量热法 热机械法
动态力学分析 热电分析
缩写 TG DSC TMA DMTA DETA
二、热分析简史
1887年，法(德)国人用热电偶测温的方法研究粘土矿物在升温 过程中的热性质变化 1891年，英国人使用示差热电偶和参比物，记录样品与参照物 间存在的温度差，发明了差热分析(DTA)技术 1915年，日本(俄国)人研制出热天平，开创了热重分析(TG)技 术 1964年，美国人在DTA技术的基础上发明了示差扫描量热法 (DSC), Perkin-Elmer公司率先研制了DSC-1型示差扫描量热仪
重量分数
0.42 2.5 10 40 100 240 480 K／min
700 800 900 1000 1100 温度 (C )
2.1.2 样品的粒度和用量
样品的粒度不宜太 大、装填的紧密程度适 W 中为好。同批试验样品， 每一样品的粒度和装填 紧密程度要一致
小用量
大用量
温度
2.1.3 气氛
常用气氛为空气和N2，亦使用O2、He、 H2、CO2 、Cl2和水蒸气等。气氛不同反应 机理不同。气氛与样品发生反应，则TG曲 线形状受到影响
40
Ti
–3.0
–5.0 Tf
–7.0
20
–9.0
C
0
Tp
H
–11.0
0 100 200 300 400 500 600 700
T(K)
Tp表示最大失重速率温度，对应DTG曲线的峰顶温度DTG 峰的面积与试样的重量变化成正比
2.1 影响热重测定的因素
2.1.1 升温速度
升温速度越快，温 度滞后越大，Ti及Tf越 高，反应温度区间也越 宽。建议高分子试样为 5~10K/min，无机、金 属试样为10~20K/min
测量重量变化的仪器——热天平
灵敏度 1g， 量程 > 数百mg 操作温度为室温到1500+C 升温速率 320 C/min
用途
材料鉴定 成分分析 热稳定性 动力学
样品重量或分数w对温度T
或时间t作图得热重曲线
(TG曲线)：
w
w = f (T or t)
因多为线性升温，T与t呈 线性关系
起始 水分 可燃 烧物
填料及 灰分
TG曲线对温度或时间的一阶 导数dw/dT 或 dw/dt 称微分热
重曲线(DTG曲线)
T 填充尼龙的TG与 DTG曲线
重量分数(%) 一阶导数(%/min)
100 A
BG
1.0
80
–1.0
60
40
Ti
–3.0
–5.0 Tf
–7.0
20
–9.0
C
0
Tp
H
–11.0
0 100 200 300 400 500 600 700
2.1.5 温度的标定
热天平可采用不同居里温度
(Curie temperature )磁性物
质。在居里点产生表观失重
表观重量(mg)
2
A B
1
D
C
E
0
200 400 600 800 1000
温度(C)
Substance Ni-Al alloy Nickel (Ni) Permalloy(Fe-Ni) Iron Oxide (Fe2O3) Iron (Fe) Cobalt (Co)
监测温度引起的性质变化，可分析出结构、机理等信息 按一定规律设计温度变化，即程序控制温度：
T = (t)
故性质既是温度的函数也是时间的函数： P = f (T or t)
上述物理性质主要包括重量、温度、能量、 尺寸、力学、声、光、热、电等，不同热分析技术可 监测不同性质
物理性质 重量 热量 尺寸
第一次 第二次 第三次
教材：无 参考书：
Thermal Hatakeyamar.pdf
Introduction to thermal analysis.pdf
第一章 热分析技术概述
一、什么是热分析 热分析的本质是温度分析。物质经历温度变化时，常常
出现一种或几种物理性质的变化，即 P = f (T)
CaCO3 CaO+CO2↑
真空 空气 CO2
400 600 800 1000 1200 温度(C)
问题 将CO2 、真空、空气 三种气氛与曲线对应
2.1.4 试样皿
➢ 试样皿的材质有玻璃、铝、陶瓷、石英、金属等 ➢ 试样皿对试样、中间产物和最终产物应是惰性的 ➢ 聚四氟乙烯类试样不能用陶瓷、玻璃和石英类试样 皿，因相互间会形成挥发性碳化物 ➢ 白金试样皿不适宜作含磷、硫或卤素的聚合物的试 样皿，因白金对该类物质有加氢或脱氢活性 ➢ 试样皿的形状以浅盘为好，将试样薄薄摊放，利于 传热和生成物的扩散
第二章 热重分析
(Thermogravimetric Analysis)
监测样品重量随温度的变化 加热条件或为恒定速度升温或等温
定量的本质使其成为强有力的分析手段
发生重量变化的主要过程
过程 吸附 脱附 脱水/脱溶剂 升华 蒸发 分解 固固反应 固气反应
增重 *
*
失重
* * * * * * *
主要过程为失重，故又称热失重分析
精品
高分子研究方法热分析
考试时间：网上查
考试形式：闭卷笔试 考试内容：励杭泉部分：60分 PPT中的概念、例题、习题
注意事项
1. 无作业 2. Email 答疑 3. 拷PPT 4. 不想上课?
lihq@
热分析 (Thermal Analysis)
1. 概述 2. 热重分析 (TG) 3. 热机械分析 (TMA) 4. 示差扫描量热法 (DSC) 5. 动态力学分析 (DMTA) 6. 介电分析 (DETA)
T(K)
B点Ti处的累积重量变化达到热天平检测下限，称为反应起 始温度；C点Tf处已检测不出重量的变化，称为反应终了温 度；Ti 或Tf亦可用外推法确定，分为G点H点
亦可取失重达到某一预定值(5%、10%等)时的温度作为Ti
重量分数(%) 一阶导数(%/min)
100
BG
1.0
80
–1.0
60
例如PP使用N2时，无氧化增重。气氛 为空气时，在150~180C出现氧化增重
应考虑气氛与热电偶、 试样容器或仪器的元部件 有无化学反应，是否有爆 W 炸和中毒的危险等
气氛处于动态时应注意 其流量对测温精度的影响， 气流速度40~50 mL/min
如存在挥发物的再冷 凝，应加大热天平室气氛 的通气量