热分析技术及其应用---上海交大ppt
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热分析技术及其应用
上海交通大学化学化工学院
朱子康
2009.4
热分析技术
•引言:定义、分类、发展
•基本原理:TG、DTA、DSC、TMA •影响测试结果的因素
•应用:金属、高分子、化学反应动力学与反应机理研究
引言
热分析的定义:
在程序控温下
测量物质的物理性质与温度关系的一类技术
热刺激电流法(TSC)图谱
薄膜试样程序升温→Tg附近→加电场→极化→降至室温→去除电场→再程序升温并测定其释放的电信号
(a) PC (b) PMMA (c) PET (d) PS
按研究问题分类统计
按研究物质的分类统计
按热分析方法分类
TG 原理图
TG(DTG)的工作曲线
差热分析(DTA)原理图
DTA 的工作曲线
DSC 的基本原理
•工作原理:
测量输入到试样或参照物的能量随温度(或时间)的变化
•工作特点:
工作曲线的形状与DTA相同
可以定量研究各种热效应
DSC 的基本原理
•工作过程:
试样和参照物程序升(降)温
试样产生物理或化学变化,放出或吸收热量试样与参照物之间产生温度差ΔT
控制系统动作
使低温侧补偿器(电热丝)通电加热
维持试样与参照物之间温度差= 0
记录补偿的热量W与试样温度的关系
差示扫描量热法DSC原理图
DSC 的工作曲线
(PP在不同降温速率下的结晶曲线)
Photo-DSC工作原理
•在DSC的基础上
•试样在设定温度下照射紫外光时
•测定:
光照射时间(t)~光化学反应热效应的关系•主要用来研究光化学体系的反应性能–光引发剂的引发性能
–光反应体系基体树脂的光反应性能
–光化学反应的转化率~时间的关系
–光化学反应的反应速度~转化率的关系
TMA(DMA)基本原理
•TMA:测定试样在恒定作用力下
程序温度变化时,
试样一维尺寸随温度的变化。•DMA:测定试样在动态作用力下
程序温度变化时
试样的动态力学性能(模量、
力学损耗)随温度的变化。
TMA(DMA)原理图
TMA 和DMA 的工作曲线TMA DMA
热分析仪器的发展•更大的测试温度范围
低温:-200℃;高温:2400 ℃
•更高的测试灵敏度
TG:0.1 μg;DSC:0.1 μw
•更宽的温度变化速率
0.001℃/分;300℃/分
•同步热分析仪
TG—DTA;TG—DSC同步测定
•热分析仪的联用
TG—气相色谱;TG—红外;TG—质谱
DSC—X衍射
影响试验结果的因素
•试样状况:
颗粒尺寸、粒度试样质量
试样装填情况
试样的热传导性试样的热容量
试样的热历史状况•试验条件:
加热(冷却)速率使用坩埚的状况试验气氛、流量仪器特性
热分析技术应用简介
•在金属材料中的应用
•在有机及高分子材料中的应用•在化学反应动力学以及反应机理研究中的应用
在金属材料中的应用
1.相图的绘制(理想二组份共晶相图)
2. 居里点的测定(DSC)
3. 金属氧化腐蚀性能测定
4. 金属材料的熔点测定
5.铁水成分测定及性能预报
热分析法依据的原理是:液态合金在冷却过程中所发生的任何一种相变(包括初晶析出的液相转变和共晶结晶转变),都伴有热量的释放或吸收,从而使合金试样温度变化的连续性受到破坏,显现出特有的冷却曲线形状及相应的温度特征值,根据这些特征值,便可确定铸铁的成分,并预报有关的机械性能。
灰铸铁成分及相关性能与特征温度的关系
球铁的球化率
)与过冷温从凝固温度曲线来分析,初晶温度(T
L
)的温度差越大,铁液的共晶度越低,初生度(T
C
)奥氏体枝晶越发达,球化率越低。过冷温度(T
C
)的温度差(ΔT)越大(未严重衰退与共晶温度(T
E
时),铁液的型核能力越差,球化率越低。
热分析在高聚物中的应用1. 高聚物熔点的测定
2. 玻璃化转变温度T
的测定
g
4. 聚合物热稳定性的研究
也可用以评定抗氧剂、热稳定剂等的功效
5. 聚合物固化反应的研究
体型结构聚合物——交联、固化过程
交联、固化是放热反应:可用热分析研究
酚醛树脂、不饱和聚酯树脂
环氧树脂、天然与合成橡胶等
环氧树脂的固化(DSC)
T a 起始固化温度T
b
固化速率最大的温度
T
c
固化终止温度固化热效应(峰面积)
6. 高分子共混物的研究
高分子共混体系
的相容性共混物的T
g
7. 高聚物动态力学性能的研究DMA可测定动态力学性能的有关参数
在化学反应动力学
及反应机理研究中的应用
DSC研究化学反应动力学(一)
《Kissinger法》
:峰顶温度(K)β:升温速率(℃/min)T
P
A:频率因子R:气体常数
E:反应活化能(J/mol)