最新材料化学导论第三章 材料结构的表征

Inτ=a×1/T+b τ-寿命 T-材料的使用温度ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
计算出a和b值，即得到化纤助剂的寿命公式：
Inτ=7.624×103×1/T-13.172 通过该公式可求出其它温度下的失重10%的寿命值 17
二、差热分析（DTA） 在程序控制温度下测定物质和参比物之间的温
度差和温度关系的一种热分析技术。 参比物：
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由热重法记录的质量变化对温度的关系曲线称 为热重曲线(TG曲线)。TG曲线以质量为纵坐标，从 上到下表示减少，以温度或时间作横坐标，从左自 右增加。如图。
1—热重曲线 2—微分热重曲线 7
热重曲线显示了试样的绝对质量(W)随温度的 恒定升高而发生的一系列变化，如图中从质量W0到 W1，从W1到W2，从W2到0是三个明显的失重阶段， 它 们表征了试样在不同的温度范围内发生的挥发性组 分的挥发以及发生的分解产物的挥发，从而可以得 到试样的组成、热稳定性、热分解温度、热分解产 物和热分解动力学等有关数据。
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2.材料中挥发性物质的测定
在材料尤其是塑料加工过程中溢出的挥发性物质， 即使极少量的水分、单体或溶剂都会产生小的气泡， 从而使产品的外观和性能受到影响。热重法能有效地 检测出在加工前塑料所含有的挥发性物质的总量。
如：聚氯乙烯(PVC)中增塑剂邻苯二辛酯(DOP)的 测定。如图所示：
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在测定聚氯乙烯中增 塑剂含量的过程中，先以 每分钟160℃的升温速度 加热，达到200℃后等温 4nim，这4nim足以使98% 增塑剂扩散到样品表面而 挥发掉。这一阶段主要是 增塑剂的失重过程，失重 约29%。然后用每分钟80℃的升温速度加热，并且在 200℃以后通过气体转换阀将氮气流转化为氧气，以 保证有机物完全燃烧。该阶段主要是聚氯乙烯的失重 过程，失重约67%，最后剩下惰性无机填料约为3.5%。
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3.材料的热稳定性和热老化寿命的测定 在材料使用中，无论是无机物还是有机物，热
稳定性是主要指标之一。虽然研究材料的热稳定性 和热老化寿命的方法有许多种，但是惟有热重法因 其快速而简便，因此使用最为广泛。
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例：利用热重法研究化纤助剂的寿命时，根据化纤 生产工艺条件，先测定化纤助剂在215℃和236℃的 恒温失重，测得失重10%所需时间分别为282.4min 和64min,再根据下列热老化寿命经验公式：
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同时还可获得试样的质量变化率与温度关系曲线， 即微分热重曲线(DTG曲线)，它是TG曲线对温度的一阶
导数。以物质的质量变化速率dm/dt对温度T作图，所
得的曲线。
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DTG曲线的峰顶即失重速率的最大值，它与TG曲
线的拐点相对应，即样品失重在TG曲线形成的每一个
拐点，在DTG曲线上都有对应的峰。并且DTG曲线上的
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随后根据压力信号的变化，自动气体转换开关会 立即与空气气流接通，此时因聚苯醚分解产生的短链 碳化合物立即氧化成CO2，在TG曲线中出现第二个失重 台阶，对应的失重量约为29.50%。
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最后在712.4℃以上温度获得以稳定的平台，说 明剩余的残渣为惰性的无机填料或灰分，其质量含 量约为5.44%。因此由热重法测定获得的分析结果为： 聚苯醚65.31%，含碳量29.50%，残渣含量5.44%。
长 的 时 间 隧 道，袅
材料化学导论第三章 材料结构的表征
材料的设计、制备和表征是材料研究的三个组 成部分，材料设计的重要依据来源于材料的结构分 析。材料制备的实际效果必须通过材料结构分析的 检验。因此可以说，材料科学的进展极大的依赖于 对材料结构分析表征的水平。
材料结构表征的主要手段： 热分析技术 显微技术 X射线衍射技术 波谱技术 材料结构的表征就其任务来说主要有三个：成分 分析、结构测定、形貌观察。
在测定条件下不产生任何热效应的惰性物质。如 α-Al2O3、石英、硅油等。
进 入 夏 天 ，少 不了一 个热字 当头， 电扇空 调陆续 登场， 每逢此 时，总 会想起 那 一 把 蒲 扇 。蒲扇 ，是记 忆中的 农村， 夏季经 常用的 一件物 品。 记 忆 中 的故 乡 ， 每 逢 进 入夏天 ，集市 上最常 见的便 是蒲扇 、凉席 ，不论 男女老 少，个 个手持 一 把 ， 忽 闪 忽闪个 不停， 嘴里叨 叨着“ 怎么这 么热” ，于是 三五成 群，聚 在大树 下 ， 或 站 着 ，或随 即坐在 石头上 ，手持 那把扇 子，边 唠嗑边 乘凉。 孩子们 却在周 围 跑 跑 跳 跳 ，热得 满头大 汗，不 时听到 “强子 ，别跑 了，快 来我给 你扇扇 ”。孩 子 们 才 不 听 这一套 ，跑个 没完， 直到累 气喘吁 吁，这 才一跑 一踮地 围过了 ，这时 母 亲总是 ，好似 生气的 样子， 边扇边 训，“ 你看热 的，跑 什么？ ”此时 这把蒲 扇， 是 那 么 凉 快 ，那么 的温馨 幸福， 有母亲 的味道 ！ 蒲 扇 是 中 国传 统工艺 品，在 我 国 已 有 三 千年多 年的历 史。取 材于棕 榈树， 制作简 单，方 便携带 ，且蒲 扇的表 面 光 滑 ， 因 而，古 人常会 在上面 作画。 古有棕 扇、葵 扇、蒲 扇、蕉 扇诸名 ，实即 今 日 的 蒲 扇 ，江浙 称之为 芭蕉扇 。六七 十年代 ，人们 最常用 的就是 这种， 似圆非 圆 ， 轻 巧 又 便宜的 蒲扇。 蒲 扇 流 传 至今， 我的记 忆中， 它跨越 了半个 世纪， 也 走 过 了 我 们的半 个人生 的轨迹 ，携带 着特有 的念想 ，一年 年，一 天天， 流向长
峰数目和TG曲线的台阶数目相等。由于DTG曲线上的
峰面积与样品的失重成正比，因此可以从DTG的峰面
积计算出样品的失重量。
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应用： 1.材料成分测定
热重法测定材料成分是极为方便的，通过热重 曲线可以把材料尤其是高聚物的含量、含碳量和灰 分测定出来。
例如测定添加无机填料的聚苯醚的成分时，试样 先在氮气流中加热，达到聚苯醚的分解温度后，聚苯 醚样品开始分解。在TG曲线的455.7-522.7℃温度范 围内，出现一个失重台阶。该台阶对应着聚苯醚的分 解失重量为65.31%。