热分析实验报告.doc

热分析实验报告

一、 实验目得
1、了解ＳTＡ44９C综合热分析仪得原理及仪器装置;
2、学习使用TG—DSC综合热分析方法。
二、实验内容
1、对照仪器了解各步具体得操作及其目得。
２、测定纯Al—TｉO２升温过程中得ＤSC、ＴＧ曲线,分析其热效应及其反应机理。
3、运用分析工具标定热分析曲线上得反应起始温度、热焓值等数据。
三、实验设备与材料

　 STＡ449C综合热分析仪
四、实验原理
热分析(Ｔheｒmaｌ Aｎalyｓis TA）技术就是指在程序控温与一定气氛下,测量试样得物理性质随温度或时间变化得一种技术。根据被测量物质得物理性质不同,常见得热分析方法有热重分析（Thermograｖimetrｙ　TG)、差热分析（Ｄｉｆferenｃｅ Thｅｒmaｌ Anａlyｓｉs，DTA）、差示扫描量热分析(Ｄifｆeｒence Scanning Clａorimetｒy，DＳＣ）等。其内涵有三个方面:①试样要承受程序温控得作用,即以一定得速率等速升(降）温，该试样物质包括原始试样与在测量过程中因化学变化产生得中间产物与最终产物;②选择一种可观测得物理量，如热学得,或光学、力学、电学及磁学等；③观测得物理量随温度而变化。
热分析技术主要用于测量与分析试样物质在温度变化过程中得一些物理变化(如晶型转变、相态转变及吸附等）、化学变化(分解、氧化、还原、脱水反应等）及其力学特性得变化，通过这些变化得研究，可以认识试样物质得内部结构，获得相关得热力学与动力学数据,为材料得进一步研究提供理论依据.
综合热分析,就就是在相同得热条件下利用由多个单一得热分析仪组合在一起形成综合热分析仪，见图１，对同一试样同时进行多种热分析得方法。
图1　综合热分析仪器（STＡ449C)
（1） 、热重分析（ ＴG）原理
热重法(TG）就就是在程序控温下,测量物质得质量随温度变化得关系.采用仪器为日本人本多光太郎于19１5年制作了零位型热天平(见图２)。其工作原理如下:在加热过程中如果试样无质量变化,热天平将保持初始得平衡状态，一旦样品中有质量变化时，天平就失去平衡，并立即由传感器检测并输出天平失衡信号.这一信号经测重系统放大后，用以自动改变平衡复位器中得线圈电流，使天平又回到初时得平衡状态,即天平恢复到零位。平衡复位器中得电流与样品质量得变化成正比,因此，记录电流得变化就能得到试样质量在加热过程中连续变化得信息，而试样温度或炉膛温度由热电偶测定并记录.这样就可得到试样质量随温度（或时间）变化得关系曲线即热重曲线。热天平中装有阻尼器,其作用就是加速天平趋向稳定。天平摆动时,就有阻尼信号产生，经放大器放大后再反馈到阻尼器中，促使天平快速停止摆动.
（2） 、差热分析(DTA）原理
差热分析（DＴA）就是指在程序控温下，测量试样物质(S)与参比物(R）得温差（∆T)随温度或时间变化得一种技术（见图3　）。在所测温度范围内，参比物不发生任何热效应,如在0～1700℃范围内无热效应产生，而试样却在某温度区间内发生了热效应，如放热反应（氧化反应、爆炸、吸附等)或吸热反应(熔融、蒸发、脱水等),释放或吸收得热量会使试样得温度高于或低于参比物,从而在试样与参比物之间产生温差,且温差得大小取决于试样产生热效应得大小，由X—Y记录仪记录下温差随温度T或时间t变化得关系即为DTＡ曲线.
（3） 、差示扫描量热分析（DSC)原理

差示扫描量热(DSC）就是指在程序控温下，测量单位时间内输入到样品与参比物之间得能量差（或功率差）随温度变化得一种技术。按测量方法得不同，DＳC仪可分为功率补偿式与热流式两种.
图４即为功率补偿式示差示扫描量热仪原理示意图。样品与参比物分别具有独立得加热器与传感器，整个仪器有两条控制电路，一条用于控制温度，使样品与参照物在预定得速率下升温或降温；另一条用于控制功率补偿器,给样品补充热量或减少热量以维持样品与参比物之间得温差为零。当样品发生热效应时,如放热效应，样品温度将高于参比物,在样品与参比物之间出现温差，该温差信号被转化为温差电势，再经差热放大器放大后送入功率补偿器,使样品加热器得电流减小，而参比物得加热器电流增加,从而使样品温度降低,参比物温度升高,最终导致两者温差又趋于零。因此,只要记录样品得放热速度或吸热速度（即功率)，即记录下补偿给样品与参比物得功率差随温度T或时间t变化得关系，就可获得试样得ＤSC曲线。
五、实验步骤
(一）、操作条件:
1、环境安静,尽量避免人员走动。
2、保护气体（pｒotｅctｉve)：Ar、He、等。目得用于操作过程中对仪器与天平进行保护，以防止受到样品在受热时产生得毒性及腐蚀性气体得侵害。压力：0、０5ＭPａ,流速＜30ml/mｉｎ，一般为15ml/mｉｎ，该开关始终为开启状态.
3、吹扫气体(purge1／pｕrｇe2）:在样品测试过程中用作气氛或反应气,一般为惰性气体,也可氧化性气体（空气、氧气等）,或还原性气体(、CＯ等）.但对氧化性或还原性气体应慎重选择,特别士还原性气体会缩短机架得使用寿命,腐蚀仪器得零部件。压力：０、05ＭPa，流速＜１00ml／min，一般为20ml/mｉｎ。
４、恒温水浴:保证天平在恒温下工作，一般调整为比环境温度高2~3℃。
5、空气泵：保证测量空间具有一定得真空度，可以反复进行,一般抽三次即可。
(二)、样品准备
1、检查并核实样品及其分解产物不会与坩锅、支架、热电偶或吹扫气体进行反应.
2、对测量所用得坩锅及参比坩锅预先进行高于测量温度得热处理,以提高测量精度.
3、试样可以就是液体、固体、粉体等形态,但须保证试样与坩锅底部得接触良好，样品适量(坩锅1/3或15mg），以减小样品中得温度梯度,确保测量精度。
4、对热反应激烈得试样或会产生气泡得试样，应减少用量。同时坩锅加盖,以防飞溅，损伤仪器。
5、用仪器内部天平称量就是,需等天平稳定,及出现mg字样时,读数方可精确。
6、测试必须样品温度达到室温及天平稳定后才能开始。
(三）、开机
1、开机过程无先后顺序。为保证仪器稳定精确得测试，SＴA4４9C得天平主机应一直处于带电开机状态,除长期不使用外,应避免频繁开关机。恒温水浴及其她仪器应至少提前1ｈ打开。
2、开机后,首先调整保护气体及吹扫气体得输出压力与流量大小至合理值,并等其稳定。
（四)、样品得称重
1、击weigh进入称重窗口，待ＴG稳定后钦Taｒe.
2、称重窗口中得Cｒucｉble ｍaｓs栏变为0、０00mg.
３、打开装置，将样品置入试样坩锅.
4、将坩锅置入支架，关闭装置。
5、称重窗口中将显示样品质量。
6、待质量稳定后,按sｔore将样品质量存入。
7、点击OK退出称重窗口.

（五）、基线得测量
过程：打开电脑进入STA４４9Ｃ工具栏新建修整编号继续20６599点击206599打开勾上吹扫气2与保护气设定升温参数:终点温度，升温速率，等结束设定等待参数:等待温度，升温速率,最长等待时间等点击进入降温参数设定提交继续保存设定完成进行基线测定。
（六)、样品得测试
过程:进入基线选样品+修正测量程序测试完成时自动记录所测文件.导出图元文件与数据即可。
（七）、结果分析
1、TG曲线结果分析
点击工具栏上得“mａss change”按钮,进入ＴＧ分析状态，并在屏幕上出现两条竖线。根据一次微分曲线与DＳC（or　DＴＡ)曲线确定出质量开始变化得起点与终点，用鼠标分别拖动该两条竖线，确定出TG曲线得质量变化区间，然后点击“aｐply”按钮，电脑自动算出该区间质量变化率；如果试样在整过测试温度区间有多个质量变化得分区间,依次重复上述步骤进行操作,直至全部算出各个质量变化区间得质量变化率，然后点击“OK”按钮，即完成ＴG分析。
2、DTA或ＤSC曲线分析
①反应开始温度分析 　
点击工具栏中得“onset"按钮，进入分析状态，并在屏幕上显示两条竖线。根据一次微分曲线与DＳC(or ＤTA)曲线，确定出曲线开始偏离基线得点与峰值点，用鼠标分别拖动该两条竖线，至确定得两条曲线上,点击“apply"按钮，自动算出反应得开始温度，质量开始变化得起点与终点，然后点击“OK”按钮，即完成分析操作。
②峰值温度分析 　
点击工具栏中得“peａk”按钮，进入分析状态，并在屏幕上显示两条竖线。根据一次微分曲线与DSC（oｒ　DTA)曲线，确定出曲线得热反应峰点,用鼠标分别拖动该两条竖线，至曲线上峰点得两侧，确定得两条曲线上,点击“apｐly”按钮，自动标出峰值温度，然后点击“ＯK”按钮,完成操作分析.
③热焓分析　
　 　点击工具栏中得“ａｅｒａ"按钮,进入分析状态，并在屏幕上显示两条竖线。根据一次微分曲线与DSＣ曲线,确定出曲线得热反应峰及其曲线开始偏离基线得点与反应结束后回到基线得点,用鼠标分别拖动该两条竖线至曲线上两个确定得点上，点击“apply”按钮,自动算出反应热焓，然后点击“OK”按钮,完成分析操作.
完成以上全部内容后,打印输出,测试分析操作结束。
六、 DSＣ曲线
DＳC曲线、不同初始条件下得 ＤＳC曲线下图所示。图中可以直观地瞧出，随着反应得进行,样品与参比物之间得能量差（或功率差）随温度得变化，从而清楚反应得进程.

曲线得上升代表着吸热反应，曲线得下降代表着正在进行放热反应，所以最开始一般要吸收热量进行反应,之后放热，当曲线得纵坐标与初始高度差不多高时，表示反应基本完成了.
七、实验注意事项
１、注意环境得安静，否则影响曲线得质量;
2、样品得用量尽量一致;
３、合理选择保护气氛.
八、 思考题
（1） 、比较DSＣ、DTＡ、TG之间得区别与联系。
热重法(TＧ)就就是在程序控温下,测量物质得质量随温度变化得关系。得到试样质量随温度（或时间)变化得关系曲线即热重曲线。
差热分析（DTA）就是指在程序控温下,测量试样物质(S)与参比物(R）得温差(∆T)随温度或时间变化得一种技术.在所测温度范围内,参比物不发生任何热效应.由X－Y记录仪记录下温差随温度T或时间t变化得关系即为DTＡ曲线。
差示扫描量热（DSC）就是指在程序控温下，测量单位时间内输入到样品与参比物之间得能量差(或功率差)随温度变化得一种技术。只要记录样品得放热速度或吸热速度(即功率）,即记录下补偿给样品与参比物得功率差随温度T或时间ｔ变化得关系，就可获得试样得ＤＳC曲线。
区别:
①曲线得纵坐标含义不同，测量对象也不同.TG:试样得质量；DTＡ:试样与参比物得温差；DSC:热流量。
②DSＣ得定量水平高于ＤTＡ。试样得热效应可直接通过ＤＳC曲线得放热
峰或吸热峰与基线所包围得面积来度量,不过由于试样与参比物与补偿加热丝之间总存在热阻,使补偿得热量或多或少产生损耗,因此峰面积得乘以一修正常数（又称仪器常数)方为热效应值。仪器常数可通过标准样品来测定,即为标准样品得焓变与仪器测得得峰面积之比，它不随温度、操作条件而变化,就是一个恒定值。
③ＤSＣ分析方法得灵敏度与分辨率均高于DＴＡ.DSC中曲线就是以热流或功率差直接表征热效应得,而DＴA则就是用∆Ｔ间接表征热效应得,因而DSC对热效应得相应更快、更灵敏，峰得分辨率也更高。
④温度范围不一样.TG：20℃～１000℃；DTA：２0℃~１60０℃;DSＣ:－１20℃~1650℃。
联系:
三种热分析方法，都就是就是指在程序控温与一定气氛下，测量试样得物理性质随温度或时间变化得一种技术。虽然从不同侧面，但都就是反映物质变化过程,从而进行分析与判断。
①试样都要承受程序温控得作用，即以一定得速率等速升（降)温,该试样物质包括原始试样与在测量过程中因化学变化产生得中间产物与最终产物;
②都就是选择一种可观测得物理量，如热学得,或光学、力学、电学及磁学等；
③观测得物理量随温度而变化。
（2） 、简述热分析曲线在化学反应机理分析中作用。
通过热分析曲线，可以直观地瞧出化学反应进行得过程中温度与物质得量得实时变化，通过研究这些变化，可以获得相关得热力学与动力学数据，为对化学反应机理得研究提供数据基础。