實驗一差熱分析儀器的認(rèn)識實驗指導(dǎo)書

1、實驗一 差熱分析儀器的認(rèn)識實驗一、 實驗?zāi)康?. 了解差熱分析儀的構(gòu)造；2. 掌握差熱分析的基本原理及測量方法；3. 熟悉差熱分析儀的操作；二、 實驗原理概述差示掃描量熱法（DSC）是指在加熱的過程中，測量被測物質(zhì)與參比物之間的能量差與溫度之間的關(guān)系的一種方法技術(shù)。圖1-1為功率補償式DSC儀器示意圖：IS3 12 45 IRRPPS UTUTK1 UTCUT 圖1-1 功率補償式DSC示意圖1.溫度程序控制器；2.氣氛控制；3.差熱放大器；4.功率補償放大器；5.記錄儀當(dāng)試樣發(fā)生熱效應(yīng)時，譬如放熱，試樣溫度高于參比物溫度，放置在它們下面的一組差示熱電偶產(chǎn)生溫差電勢UT，經(jīng)差熱放大器放大后送入

2、功率補償放大器，功率補償放大器自動調(diào)節(jié)補償加熱絲的電流，使試樣下面的電流Is減小，參比物下面的電流IR增大，而Is+IR保持恒定。降低試樣的溫度，增高參比物的溫度，使試樣和參比物之間的溫差T趨于零。上述熱量補償能及時，迅速完成，使試樣和參比物的溫度始終維持相同。設(shè)兩邊的補償加熱絲的電阻值相同，即RS=RR=R，補償電熱絲上的電功率為PS=IR和PR=IR。當(dāng)樣品沒有熱效應(yīng)時，PS=PR；當(dāng)樣品存在熱效應(yīng)時，PS和PR的差P能反映樣品放（吸）熱的功率：P= PS-PR= IR -IR=（IS+IR）（ IS-IR）R =（IS+IR） V=IV（1）由于總電流IS+IR為恒定，所以樣品的放（吸）

3、熱的功率P只和V成正比，記錄P隨溫度T或者時間t的變化就是試樣放熱速度（或者吸熱速度）隨T（或t）的變化，這就是DSC曲線，在DSC中，峰的面積是維持試樣與參比物溫度相等所需要輸入的電能的真實量度，它與儀器的熱學(xué)常數(shù)或試樣熱性能的各種變化無關(guān)，可進(jìn)行定量分析。DSC曲線的縱坐標(biāo)代表試樣放熱或吸熱的速度，即熱流速度，單位是mJ/s，試樣放熱或吸熱的熱量為：Q=（2）式（2）右邊的積分就是峰的面積，峰面積A是熱量的直接度量，也就是DSC直接測量熱效應(yīng)的熱量，但是試樣和參比物與補償加熱絲之間總是存在熱阻，補償?shù)臒崃坑行┦?，因此熱效?yīng)的熱量應(yīng)該是Q=KA,K為儀器常數(shù)，可由標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)實驗確定，這里的K

4、不隨溫度、操作條件而變，這就是DSC與DTA定量性能好的原因；同時試樣和參比物與熱電偶之間的熱阻可作得盡可能的小，這就使DSC對熱效應(yīng)的響應(yīng)快、靈敏、峰的分辨率好。圖1-2是試樣的DTA曲線或DSC曲線的模式圖（我們以典型的聚合物DSC曲線為例），當(dāng)溫度達(dá)到玻璃化轉(zhuǎn)變溫度Tg時，試樣的熱容增大就需要吸收更多的熱量，使基線發(fā)生位移。假如試樣是能夠結(jié)晶的，并且處于過冷的非晶狀態(tài)，那么在Tg以上可以進(jìn)行結(jié)晶，同時放出大量的結(jié)晶熱而產(chǎn)生一個放熱峰。進(jìn)一步升溫，結(jié)晶熔融吸熱，出現(xiàn)吸熱峰。再進(jìn)步升溫試樣可能發(fā)生氧化、交聯(lián)反應(yīng)而放熱，出現(xiàn)放熱峰，最后試樣則發(fā)生分解吸熱，出現(xiàn)吸熱峰。當(dāng)然，并不是所有的試樣都同

5、時存在上述全部的物理和化學(xué)變化的。圖1-2試樣的DTA曲線或DSC曲線的模式圖 確定Tg的方法是由玻璃化轉(zhuǎn)變前后的直線部分取切線，再在實驗曲線上取一點，如圖1-3（a），使其平分兩切線之間的距離，這一點所對應(yīng)的溫度即為Tg。Tm的確定，對于低分子的純物質(zhì)來說，如苯甲酸，如圖1-3（b）所示，由峰的前部斜率最大處作切線和基線延長線相交，此點所對應(yīng)的溫度取作為Tm。對于聚合物來說，如圖1-3（c）所示，由峰的兩邊斜率最大處引切線，相交點所對應(yīng)的溫度為Tm，或者取峰頂溫度為Tm。結(jié)晶溫度TC通常也是取峰頂溫度，峰面積的取法如圖1-3（d）和（e）所示。可以用積分的方法求出。 （a）Tg的確定 （b）

6、 （c）Tm的確定 （d） （e）峰面積的確定隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，熱分析儀也發(fā)生了很大的變化，特別是在控制技術(shù)和數(shù)據(jù)處理方面，先進(jìn)的硬件和軟件大大簡化了我們的工作。現(xiàn)代熱分析儀由計算機和相應(yīng)的軟件控制，不但提高了儀器的精度，還可以自動處理數(shù)據(jù)，求出Tg、Tm和峰面積A等重要參數(shù)。三、 實驗設(shè)備設(shè)備：差熱分析儀（SDT Q600）一臺，主要由機箱、加熱系統(tǒng)、天平和計算機構(gòu)成。四、 實驗步驟（一）測量準(zhǔn)備a) 測試樣品需知道其主要成分，嚴(yán)禁測試易揮發(fā)、對Al坩堝有污染的樣品，測試樣品形狀為粉末狀、片狀、塊狀，保證樣品與測量坩堝底部接觸良好且樣品適量（如：在坩堝中放置1/3厚或10mg）以便減小在測

7、試中的樣品溫度梯度，確保測量精度。b) 開機后調(diào)整保護氣體及吹掃氣體的輸出壓力和流速。c) 參比使用空坩堝，參比物與樣品使用相同的坩堝。（二）樣品測試程序 a) 充入保護氣體，開機箱，機箱運行完畢后開電腦。b) 點擊電腦桌面TA圖標(biāo)，打開控制主界面，進(jìn)入測量運行程序，選文件菜單中的打開選項，進(jìn)行參數(shù)設(shè)置。c) 選擇測量模式，輸入識別號、樣品名稱與樣品質(zhì)量。d) 選擇標(biāo)準(zhǔn)溫度校正文件和標(biāo)準(zhǔn)靈敏度校正文件后，儀器開始測量直到測量結(jié)束。五、實驗注意事項1. 坩堝一定要清理干凈，否則堝垢不僅影響導(dǎo)熱，雜質(zhì)在受熱過程中也會發(fā)生物理化學(xué)變化，影響實驗結(jié)果的準(zhǔn)確性。2. 試樣一般用100300目之粉末，聚合物可切成碎塊或碎片，纖維狀試樣可截成小段或繞成小球，金屬試樣可加工成碎塊或小粒，試樣量一般不超過坩鍋容積的五分之四，對于加熱時發(fā)泡試樣不超過坩鍋容積的二分之一或更少，或用氧化鋁粉沫稀釋，以防止發(fā)泡時溢出坩堝，污染熱電偶。3. 參比物是在測溫區(qū)內(nèi)對熱高度穩(wěn)定的物質(zhì)，一般用-Al2O3粉沫，粒度為100300目，最好經(jīng)過1300以上高溫焙燒和干燥保存。4. 參比物的導(dǎo)熱性能及熱容最好與試樣接近，以減少差熱基線漂移。做金屬試樣的差熱分析時也可用銅或不銹鋼做參比物。試樣量較少或熱容很小時，也