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三种常用的热分析技术介绍

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3.0 2024-06-25 0 0 19.92KB 5 页 1库币 海报
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热分析技术是在温度程序控制下研究材料的各种转变和反应，是一种十分重要
的分析测试方法。常用的热分析方法有：热重法(TG)、差热分析法（DTA）、
差示扫描量热法（DSC）。热重分析
热重分析（Thermogravimetric Analysis，TG 或TGA），是指在程序控制温度
下测量待测样品的质量与温度变化关系的一种热分析技术，用来研究材料的热
稳定性和组份。TGA 在研发和质量控制方面都是比较常用的检测手段。热重分
析在实际的材料分析中经常与其他分析方法连用，进行综合热分析，全面准确
分析材料。
原理
热重分析指的是在温度程序控制下，测量物质质量与温度之间的关系的技术。
这里值得一提的是，定义为质量的变化而不是重量变化是基于在磁场作用下，
强磁性材料当达到居里点时，虽然无质量变化，却有表观失重。而热重分析则
指观测试样在受热过程中实质上的质量变化。热重分析所用的仪器是热天平，
它的基本原理是，样品重量变化所引起的天平位移量转化成电磁量，这个微小
的电量经过放大器放大后，送入记录仪记录；而电量的大小正比于样品的重量
变化量。当被测物质在加热过程中有升华、汽化、分解出气体或失去结晶水时，
被测的物质质量就会发生变化。这时热重曲线就不是直线而是有所下降。通过
分析热重曲线，就可以知道被测物质在多少度时产生变化，并且根据失重量，
可以计算失去了多少物质。TGA 可以得到样品的热变化所产生的热物性方面的
信息。
表征内容
热重分析通常可分为两类：动态法和静态法。
1、静态法：包括等压质量变化测定和等温质量变化测定。等压质量变化测定是
指在程序控制温度下，测量物质在恒定挥发物分压下平衡质量与温度关系的一
种方法。等温质量变化测定是指在恒温条件下测量物质质量与温度关系的一种
方法。这种方法准确度高，费时。
2、动态法：就是我们常说的热重分析和微商热重分析。微商热重分析又称导数
热重分析（Derivative Thermogravimetry，简称 DTG），它是 TG 曲线对温度
(或时间)的一阶导数。以物质的质量变化速率（dm/dt） 对温度 T(或时间 t)作
图，即得 DTG 曲线。
应用
热重分析法可以研究晶体性质的变化，如熔化、蒸发、升华和吸附等物质的物
理现象；研究物质的脱水、解离、氧化、还原等物质的化学现象。热重法的重
要特点是定量性强，能准确地测量物质的质量变化及变化的速率，可以说，只
要物质受热时发生重量的变化，就可以用热重法来研究其变化过程。目前，热
重法已在下述诸方面得到应用：
(1) 无机物、有机物及聚合物的热分解；
(2) 液体的蒸馏和汽化；
(3) 煤、石油和木材的热解过程；
(4) 含湿量、挥发物及灰分含量的测定；
(5) 脱水和吸湿；
差热分析
差热分析þ（Differential Thermal Analysis，DTA），是一种重要的热分析方
法，是指在程序控温下，测量物质和参比物的温度差与温度或者时间的关系的
一种测试技术。该法广泛应用于测定物质在热反应时的特征温度及吸收或放出
的热量，包括物质相变、分解、化合、凝固、脱水、蒸发等物理或化学反应。
广泛应用于无机、硅酸盐等领域。
原理
差热分析（Differential Thermal Analysis—DTA）法是一种重要的热分析方法，
是指在程序控温下，测量物质和参比物的温度差与温度或者时间的关系的一种
测试技术。该法广泛应用于测定物质在热反应时的特征温度及吸收或放出的热
量，包括物质相变、分解、化合、凝固、脱水、蒸发等物理或化学反应。物质
在受热或冷却过程中，当达到某一温度时，往往会发生熔化、凝固、晶型转变、
分 解、化合、吸附、脱附等物理或化学变化，并伴随有焓的改变，因而产生热
效应，其表现为样品与参比物之间有温度差。记录两者温度差与温度或者时间
之间的关系曲线就是差热曲线（DTA 曲线）。
表征内容
从差热图上可清晰地看到差热峰的数目、高度、位置、对称性以及峰面积。峰
的个数表示物质发生物理化学变化的次数，峰的大小和方向代表热效应的大小
和正负，峰的位置表示物质发生变化的转化温度。在相同的测定条件下，许多
物质的热谱图具有特征性。因此，可通过与已知的热谱图的比较来鉴别样品的
种类。理论上讲，可通过峰面积的测量对物质进行定量分析，但因影响差热分
析的因素较多，定量难以准确。
应用
凡是在加热（或冷却）过程中，因物理-化学变化 而产生吸热或者放热效应的
物质，均可以用差热分析法加以鉴定。其主要应用范围如下：
（1）含水化合物
对于含吸附水、结晶水或者结构水的物质，在加热过程中失水时，发生吸热作
用，在差热曲线上形成吸热峰。
（2）高温下有气体放出的物质
一些化学物质，如碳酸盐、硫酸盐及硫化物等，在加热过程中由于CO2、SO2
等气体的放出，而产生吸热效应，在差热曲线上表现为吸热谷。不同类物质放
出气体的温度不同，差热曲线的形态也不同，利用这种特征就可以对不同类物
质进行区分鉴定。
（3）矿物中含有变价元素
矿物中含有变价元素，在高温下发生氧化，由低价元素变为高价元素而放出热
量，在差热曲线上表现为放热峰。变价元素不同，以及在晶格结构中的情况不
同，则因氧化而产生放热效应的温度也不同。如 Fe2+在340~450℃变成
Fe3+。
（4）非晶态物质的重结晶
有些非晶态物质在加热过程中伴随有重结晶的现象发生，放出热量，在差热曲
线上形成放热峰。此外，如果物质在加热过程中晶格结构被破坏，变为非晶态
物质后发生晶格重构，则也形成放热峰。
差示扫描量热法
差示扫描量热法（differential scanning calorimetry）这项技术被广泛应用于一
系列应用，它既是一种例行的质量测试和作为一个研究工具。该设备易于校准，
使用熔点低，是一种快速和可靠的热分析方法。差示扫描量热法(DSC)是在程
序控制温度下，测量输给物质和参比物的功率差与温度关系的一种技术。
基本原理
物质在温度变化过程中，往往伴随着微观结构和宏观物理，化学等性质的变化。
宏观上的物理，化学性质的变化通常与物质的组成和微观结构相关联。通过测
量和分析物质在加热或冷却过程中的物理、化学性质的变化，可以对物质进行
定性，定量分析，以帮助我们进行物质的鉴定，为新材料的研究和开发提供热
性能数据和结构信息。在差热分析中当试样发生热效应时，试样本身的升温速
度是非线性的。以吸热反应为例，试样开始反应后的升温速度会大幅度落后于
程序控制的升温速度，甚至发生不升温或降温的现象；待反应结束时，试样升
温速度又会高于程序控制的升温速度，逐渐跟上程序控制温度，升温速度始终
处于变化中。而且在发生热效应时，试样与参比物及试样周围的环境有较大的
温差，它们之间会进行热传递，降低了热效应测量的灵敏度和精确度。因此，
到目前为止的大部分差热分析技术还不能进行定量分析工作，只能进行定性或
半定量的分析工作，难以获得变化过程中的试样温度和反应动力学的数据。
DSC 分析与差热分析相比，可以对热量作出更为准确的定量测量测试，具有比
较敏感和需要样品量少等特点。
主要用途
DSC 分析主要用于研究金属玻璃的显微结构中亚稳相的转变温度以及转变动力
学的特征分析。差示扫描量热仪在程序温度控制下测量加载样品和参比物之间
的单位时间的能量差(功率差)随温度的变化，记录所得的曲线为 DSC 曲线。非
晶合金中原子是混乱排列的，样品处在亚稳态。当温度升高时，在热激活的作
用下，非晶样品结构将发生变化，并伴随着放热和吸热现象。差示扫描量热曲
线(DSC 曲线)是在差示扫描量热测量中记录的以热流率dH/dt 为纵坐标、以温
度或时间为横坐标的关系曲线。由非晶合金的DSC 曲线可以得到下列的一些信
息：(1)玻璃转变温度 Tg；(2)晶化温度 Tx；(3)结构弛豫峰，并由结构弛豫峰可
获得低温结构弛豫和高温结构弛豫，以及它们的弛豫激活能的值；(4)晶化过程
以及结晶焓变△Hx；(5)晶化过程中各种亚稳相的信息。
在操作中，通过单独的加热器补偿样品在加热过程中发生的热量变化，以保持
样品和参比物的温差为零。这种补偿能量(即样品吸收或放出的热量)所得的曲
线称 DSC 曲线。是以样品吸热或放热的速率，即热流量dQ/dt(单位mJ/s)为纵
坐标，以时间 t或温度 T为横坐标。曲线离开基线的位移，代表样品吸热或放
热的速率；曲线中的峰或谷所包围的面积，代表热量的变化。可测定多种热力
学和动力学参数，如比热容、焓变、反应热、相图、反应速率、结晶速率、高
聚物结晶度、样品线度等。使用温度范围为－175～725℃，适用于无机及有机
化合物和药物分析。并可用做定性分析的指纹技术。

标签： #技术

摘要：

热分析技术是在温度程序控制下研究材料的各种转变和反应，是一种十分重要的分析测试方法。常用的热分析方法有：热重法(TG)、差热分析法（DTA）、差示扫描量热法（DSC）。热重分析热重分析（ThermogravimetricAnalysis，TG或TGA），是指在程序控制温度下测量待测样品的质量与温度变化关系的一种热分析技术，用来研究材料的热稳定性和组份。TGA在研发和质量控制方面都是比较常用的检测手段。热重分析在实际的材料分析中经常与其他分析方法连用，进行综合热分析，全面准确分析材料。原理热重分析指的是在温度程序控制下，测量物质质量与温度之间的关系的技术。这里值得一提的是，定义为质量的变化而不是...

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