热分析

项目简介

　　热分析是测量材料热力学参数或者物理参数随温度变化的关系，并对这种关系进行分析的一种技术方法。所谓热分析，指通过控制样品温度的改变，来分析其相应物理化学性质的改变。

常见项目

　　热重分析测试(TG)：使样品处于一定的温度程序(升/降 /恒温)控制下，观察样品的质量随温度或时间的变化过程，获取失重比例、失重温度(起始点， 峰值，终止点...)、以及分解残留量等相关信息。TG 方法广泛应用于塑料、橡胶、涂料、药品、催化剂、无机材料、金属材料与复合材料等各领域的 研究开发、工艺优化与质量监控。可以测定材料在不同气氛下的热稳定性与氧化稳定性，可对分解、 吸附、解吸附、氧化、还原等物化过程进行分析，包括利用 TG 测试结果进一步作表观反应动力学 研究。可对物质进行成分的定量计算，测定水分、挥发成分及各种添加剂与填充剂的含量。

　　差示扫描量热法(DSC)：使样品处于一定的温度程序(升/降/恒温)控制下，观察样品端和参比端的热流功率差随温度或时间的变化过程，以此获取样品在温度程序过程中的吸热、放热、比热变化等相关热效应信息，计算热效应的吸放热量(热焓)与特征温度(起始点，峰值，终止点...)。DSC 方法广泛应用于塑料、橡胶、纤维、涂料、粘合剂、医药、食品、生物有机体、无机材料、金属材料与复合材料等各类领域，可以研究材料的熔融与结晶过程、玻璃化转变、相转变、液晶转变、固化、氧化稳定性、反应温度与反应热焓，测定物质的比热、纯度，研究混合物各组分的相容性，计算结晶度、反应动力学参数等。

　　同步热分析测试(TG-DSC)：将热重分析 TG 与差示扫描量热 DSC结合为一体，在同一次测量中利用同一样品可同步得到质量变化与吸放热相关信息。

　　热重-差热分析(TG-DTA)：DTA是差热分析法(Differential Thermal Analysis)的简称。是以某种在一定实验温度下不发生任何化学反应和物理变化的稳定物质(参比物)与等量的未知物在相同环境中等速变温的情况下相比较，未知物的任何化学和物理上的变化，与和它处于同一环境中的标准物的温度相比较，都要出现暂时的增高或降低。TG-DTA是将热重分析 TG 与差热分析 DTA结合为一体，在同一次测量中利用同一样品可同步得到质量变化与吸放热相关信息。

结果展示

　　1、TG数据：原始txt或excel格式中横坐标温度(℃)或时间(min);纵坐标质量或失重百分比(%);图片/PDF格式默认导出横坐标为温度的谱图(注意：通常仪器存在1-2%的理论误差;对于不失重和100%失重的样品，曲线会存在一定波动，可通过后期处理数据进行平滑)

　　2、DTG数据：即TG数据的一阶微分;纵坐标TG的微分结果(单位1/min、1/℃或者%/min、%/℃，可相互转换，其中1和%之间换算除以100，/min和/℃换算除以升温速率);DTG的峰对应TG曲线的失重台阶，峰值温度代表失重速率最大的温度;

　　3、DSC数据，单位mW/mg，图中标注有吸热或放热方向的图示(“⬆放热”“^exo”“exo up”表示向上为放热)，图中可标注吸放热峰起始温度、峰值温度及积分面积，即焓变，单位J/g;(注意：积分区间大小影响积分面积结果，可根据实际情况进行调整，如果觉得不合适，请提供具体温度区间，我们可根据要求进行调整)

常见问题

　　1. TG曲线中DTG曲线的含义?

　　DTG为TG的一次微分曲线, 不少物质失重过程相对应温度范围相当宽，这给利用TG法鉴别未知化合物带来困难，特别当两个化合物的分解温度范围比较接近时尤其如此。采用微商热重法可以解决这一问题。DTG的曲线表示质量随时间的变化率(dm/dt)与温度(或时间)的函数关系：dm / dt = f ( T ) 或f ( t )，DTG曲线的峰顶为d2m/dt2=0，对应于TG曲线的拐点，即失重速率的最大值;DTG曲线上的峰数对应于TG曲线上的台阶数，即失重的次数;DTG曲线的峰面积正比于失重量，可用于计算失重量。新型的热重分析仪都配有质量微分单元，可直接记录DTG曲线;

　　2. 升温速率过快对数据有什么影响?

　　升温过快，反应来不及发生，会导致反应/相变温度滞后，反应向高温区移动，同时反应温度区间变宽;如果是多个反应/相变，TG的失重台阶以及DSC的吸放热峰会重叠，也就是谱图分辨率降低;

　　3. 热分析测试中几种坩埚的区别?

　　Al2O3坩埚：对绝大多数样品比较稳定，不与样品发生反应，且在室温到1650℃范围内，Al2O3坩埚没有热反应，Al2O3坩埚的熔点超过1700℃，可以重复使用，但清洗过程稍微麻烦。

　　Al坩埚：只能进行低温实验，温度不能超过600℃，因为铝坩埚的熔点为600℃。铝坩埚的热传导很好，坩埚臂及底部均较薄，所以测试的同步DSC 信号较好。

　　Pt坩埚：具有很好的导热性能，与Al2O3坩埚相比，可以获得较好的同步DSC测试结果。但是需要注意的是铂有可能成为某些样品的催化剂，所以使用前要仔细分析。铂金坩埚的熔点在1770℃。进行高温测试时，铂金坩埚可能与某些金属及化合物形成共熔点，坩埚的熔点降低，导致坩埚粘在传感器上。

　　4. 样品有失重，是否可以测试DSC?

　　样品有分解或挥发，最好不要测试单独的DSC，会污染设备。

　　备注：不含卤素、氰基、异氰酸酯等的有机物，失重5%以内可以进行测试，失重原因是小分子比较多造成，但是失重更高就需要注意了，除了使用微量样品、加大扫气、加快升温速率，最好先在热台上观察一下，如果有明显发泡膨胀、冒烟发黑就不能升到这么高温度;如果有条件的话，用密封铝坩埚做，注意材料体系挥发物的性质，避免有反应的溶剂引入。(自行查找，供参考)

　　5. DSC峰不对称是什么原因造成的?

　　一般说来影响DSC分析的几个主要因素：样品量、升温速度、气氛都会对峰形产生影响的，仅拿升温速度来说：随着升温速度的增加，一般峰的起始温度变化不大，而峰顶和峰结束温度提高，峰形变宽，这样就会导致峰形的不对称或规整了;

　　6. 单独DSC测试的样品有什么要求，温度怎么选择?

　　若想做单独DSC，要保证样品不能分解，是密封坩埚，测试温度要低于分解温度(可通过TG数据判断)，这样才能保证样品的测试结果和数据的精准。

　　7. 样品发生相变，但DSC数据中没有峰是什么原因呢?

　　(1)样品量少，没有达到仪器的检测灵敏度;

　　(2)样品本身有比热变化(或其他反应)，比热变化引起的热流变化大于相变引起的热流变化;

　　(3)仪器或者基线的问题;

　　8. DSC测试过程中，基线不平可能是什么因素影响的?

　　(1)样品本身热量的变化;

　　(2)反应持续吸热或者放热，但是吸放热的量很少，导致没有明显的峰，宏观上就是基线不平;

　　(3)TG-DSC中DSC基线不平的情况会比单独DSC要多;

　　9. 如何通过DSC测试得到固液相线?

　　把合金制备成两组分不同比例的一个系列的合金样品，然后测定差热分析(DTA)或差示扫描量热器(DSC)谱图。

　　如合金两组份A、B的体积分数分别为0，0.2，0.4，0.7，0.8，0.9，1.0,二元合金样品在DSC谱仪上以8度/min温速升温，测定DSC谱。由谱知，应该只有含A0%和100%的两个纯组分样品呈现单一的熔融峰。其它合金样品均为两个熔融峰。

　　把实验数据点标注在横标是两组份比、纵标是温度的相图中;最后把数据点连接成相线，从而绘制成相图(虚线)展示在附图右图。“L”表示液相，“α”“β”表示固相的α相、β相。实线展示的是理论相线。

　　10.TG-DSC测试的初始温度可否是20℃或者25℃?

　　热分析初始温度默认就是室温，和当时的环境温度相关;冬季可以达到20-25℃，夏季一般开空调维持25-30℃左右;

　　11. TG-DSC曲线上放热和吸热怎么看?

　　通常数据中会有图标，如↑放热、↑吸热、^exo、exo up等，通过标识确认;

　　12. 升温速率过快对数据有什么影响?

　　升温过快，反应来不及发生，会导致反应/相变温度滞后，反应向高温区移动，同时反应温度区间变宽;如果是多个反应/相变，TG的失重台阶以及DSC的吸放热峰会重叠，也就是谱图分辨率降低;

　　13. DTA和DSC的主要区别是什么?

　　针对聚合物：

　　DTA：定性测定Tg、Tm等，测定热稳定性、耐热性、检测氧化反应、聚合反应等其它;

　　DSC：定量测定热化学测量△Hm、△He、比热、动力学、分解、结晶△H聚合反应。

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