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第三章热分析
Thermal Analysis
第一节热分析技术的概述
一、热分析的定义
1977年在日本京都召开的国际热分析协会(ICTA, International Conference on Thermal Analysis)第七次会议所下的定义:热分析是在程序控制温度下,测量物质的物理性质与温度之间关系的一类技术。这里所说的“程序控制温度”一般指线性升温或线性降温,也包括恒温、循环或非线性升温、降温。这里的“物质”指试样本身和(或)试样的反应产物,包括中间产物。
上述物理性质主要包括质量、温度、能量、尺寸、力学、声、光、热、电等。根据物理性质的不同,建立了相对应的热分析技术,例如:
热重分析(Thermogravimetry,TG);
差热分析(Differential Thermal Analysis,DTA)
差示扫描量热分析(Differential Scanning Calorimetry,DSC);
热机械分析(Thermomechanical Analysis,TMA)
逸出气体分析(Evolved Gas Analysis,EGA);
热电学分析(Thermoelectrometry);
热光学分析(Thermophotometry)等。
热分析方法的种类是多种多样的,根据国际热分析协会(ICTA)的归纳和分类,目前的热分析方法共分为九类十七种,在这些热分析技术中,热重法、差热分析、差示扫描量热法和热机械分析应用得最为广泛。
物理性质
热分析技术名称
缩写
质量
热重分析法
TG
温度
差热分析
DTA
热量
示差扫描量热法
DSC
尺寸
热膨胀(收缩)法
TD
力学特性
动态力学分析
DMTA
1. 可在宽广的温度范围内对样品进行研究;
2. 可使用各种温度程序(不同的升降温速率);
3. 对样品的物理状态无特殊要求;
4. 所需样品量可以很少(g - 10mg);
5. 仪器灵敏度高(质量变化的精确度达10-5);
6. 可与其他技术联用;
7. 可获取多种信息。
二、热分析的主要优点
1887年,法(德)国人第一次用热电偶测温的方法研究粘土矿物在升温过程中的热性质的变化。
1891年,英国人使用示差热电偶和参比物,记录样品与参照物间存在的温度差,大大提高了测定灵敏度,发明了差热分析(DTA)技术的原始模型。
1915年,日本人在分析天平的基础上研制出热天平,开创了热重分析(TG)技术。
1940-1960年,热分析向自动化、定量化、微型化方向发展。
1964年,美国人在DTA技术的基础上发明了示差扫描量热法(DSC), Perkin-Elmer公司率先研制了DSC-1型示差扫描量热仪。
三、热分析的起源
第二节物质的热效应
一晶体中水的存在形式
1 吸附水:H2O;不参加晶格;存在于表面或毛细管内, 失水温度100-130o。
2结晶水: H2O参加晶格;存在于结构中, 不与其他单元形成化学键;失水物相变化;温度100-300o。
3 结构水:OH-形式参加晶格;存在于结构中,与其他单元形成化学键;失水晶格崩溃;温度300-1000o。
4 过渡类型的水:层间水、沸石水。
二物质的热效应:
脱水-吸热;
分解-吸热;CaCO3=CaO+CO2;
相变-吸热或放热:熔化、升华、蒸发。
氧化-放热;
结晶-放热;
第三节差热分析(DTA)
一、DTA的基本原理
差热分析是在程序控制温度下,测量物质与参比物之间的温度差与温度关系的一种技术。差热分析曲线描述了样品与参比物之间的温差(ΔT)随温度或时间的变化关系。
1 在金属中有自由电子, 要使之逸出表面, 需施加能量V(逸出功)。设有两金属A、B,Va>Vb, 则A,B接触时自由电子由B流向A, 使A-, B+,并形成电位差Vab’。
Vab’= Vb-Va。