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)

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