热重分析实验PPT优秀课件

1、1,差热-热重分析实验 一.实验目的与内容 1.了解热重分析的基本原理及热重分析仪的装置； 2.学习使用热重分析方法并能准确地测量物质的变化及变化的速率。 二.实验基本原理 热重法(TG)是在程序控制温度下,测量物质质量与温度关系的一种技术。许多物质在加热过程中会在某温度发生分解、脱水、氧化、还原、熔化和升华等物理化学变化而出现质量变化,发生质量变化的温度及质量变化百分数随着物质的结构及组成而异,因而可利用物质的热重曲线来研究物质的热变化过程,如试样的组成、热稳定性、热分解温度、热分解产物和热分解动力学等。 热重分析通常可分为两类：动态(升温)和静态(恒温)。 热重法试验得到的曲线称为热重曲线

2、(TG曲线)。TG曲线以质量作纵坐标,从上向下表示质量减少;以温度(或时间)作横坐标,自左至右表示温度(或时间)增加。,2,进行热重分析的基本仪器为热天平,它包括天平、炉子、程序控温系统、记录系统等几个部分。 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。 热重分析的实验结果受到许多因素的影响,基本可分二类:一是仪器因素,包括升温速率、炉内气氛、炉子的几何形状、坩埚的材料等。二是样品因素,包括样品的质量、粒度、装样的紧密程度、样品的导热性等。 在TG的测定中,升温速率高会使样品分解温度明显升高。如升温太

3、快,试样来不及达到平衡，会使反应各阶段分不开。合适的升温速率为510/min。 样品在升温过程中,通常伴有吸热或放热现象而使温度偏离线性程序升温,并改变了TG曲线位置。样品量越大,这种影响越大。,3,对于受热产生气体的样品,样品量越大,气体越不易扩散。再则,样品量大时,样品内温度梯度也大,将影响TG曲线位置。因此实验时应根据天平的灵敏度,尽量减小样品量。样品的粒度不能太大,否则将影响热量的传递;粒度也不能太小,否则开始分解的温度和分解完毕的温度都会降低。 热重法的实验结果与实验条件有关。但在相同实验条件下,同种样品的热重实验数据应该是能重现的。 为了得到最佳的热分析曲线,首先在室温至分解温度的

4、较宽范围内,以较高的加热速率(10-20/min)做预试验,然后在较窄范围内，以较低的加热速度(每分钟约2)进行重复试验。每条热分析曲线应附上测定条件,包括仪器型号、最后校正的记录、样品规格和鉴定(包括以前的热力学性质记录)、容器、气体纯度、流速和压力、温度变化的方向和速率,以及仪器和记录仪的灵敏度等。 热重曲线上质量基本不变的部分称为基线或平台。,4,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)金属在高温下受各种气体的腐蚀过程; (3)固态反应;(4)矿物的煅烧和冶炼; (5)液体的蒸馏和汽化;(6)煤、石油和木材的热解过程; (7)含湿量、挥发物及灰

5、分含量的测定;(8)升华过程; (9)脱水和吸湿;(10)爆炸材料的研究; (11)反应动力学的研究;(12)发现新化合物; (13)吸附和解吸;(14)催化活度的测定; (15)表面积的测定; (16)氧化稳定性和还原稳定性的研究; (17)反应机制的研究。 三.主要仪器设备及耗材 仪器：Q600 差热/热重同步热分析仪 美国(TA)公司,5,SDT Q600 综合热分析仪 结构与原理,SDT Q600 同步热分析仪外观,SDT,6,SDT Q600 综合热分析仪 结构与原理,SDT Q600 同步热分析仪外观,7,SDT Q600 综合热分析仪 结构与原理,天平室构造图1,8,天平室构造图

6、2,SDT Q600 综合热分析仪 结构与原理,9,水平双杆式双天平设计构作图,SDT Q600 综合热分析仪 结构与原理,10,Q600 采用高可靠性的水平双臂式天平结构,分别支撑样品和参比样品,样品端天平检测样品重量及变化,参比端天平用于修正TGA测量仪器的臂的移动,水平式称重系统只称样品和坩埚的重量,无需称重样品杆的重量,独特的设计确保了极微小的重量变化(0.1g),可以被准确的检测出而且双臂天平比单臂式减少了漂移,提高了精度和准确度,因此称重精度可达一千万分之一,在样品失重过程中由于采用双杆设计,所以无垂直单杆设计出现的中心偏移现象 主机配有自动的内置式气体切换装置和内置式数字质量流量

7、计,可以精确控制各种吹扫气体以稳定的流速(精确控制流速范围0.1-1000ml/min,精度0.1ml/min) 流经样品和参比的坩埚,比传统方法有更好的数据重现性,自动切换采用高速低体积阀门,瞬间切换吹扫气体,气体流量也储存在数据文件中,SDT Q600 综合热分析仪 结构与原理,11,内置数字式质量流量计/内置气体自动切换装置,12,SDT Q600 综合热分析仪 结构与原理,样品盘/样品热电偶的构造图,13,量 热 系 统 设 计 的 优 点 片装铂金传感器与样品盘大面积精密接触,增大传热面积,所以量热精度高达2%,是目前所有同步热分析仪中量热精度最高的. 热电偶隐藏在陶瓷杆中,不易损坏

8、,采用五种高纯金属进行仪器温度校准,利用蓝宝石校准可以得到高精度DSC信号. 无需更换托盘系统就可同时完成DSC-TGA-DTA的测量. 准确的高重现性样品温度数据确保了样品热行为的灵敏测量,双臂/双热电偶比单臂设计(参比热偶在炉子中)有更好的准确度同时采用动态归一化技术,能提高了灵敏度,将较弱信号转移分析出来,在实时的样品重量下对热流进行归一校准.,SDT Q600 综合热分析仪 结构与原理,14,SDT Q600 综合热分析仪 结构与原理,15,SDT Q600 综合热分析仪 结构与原理,加 热 炉 的 设 计 优 点 加热炉是高可靠性的双丝缠绕加热炉,炉体采用坚硬耐腐蚀耐高温的特种陶瓷材

9、料,而且炉子体积极小,因此升温速度快,炉内的温度梯度小,而且控温精度高,全自动,稳定的水平开闭加热炉,稳定性极好,而且方便装样,采用空气冷却方式,冷却速度快,提高实验效率.,16,SDT Q600 综合热分析仪 结构与原理,Q600 样品盘,17,SDT Q600 综合热分析仪 结构与原理,载气和冷却气接口,18,SDT Q600 综合热分析仪 结构与原理,吹 扫 气 体 系 统 配有二路载气进口,同时配有专用的独立式Inconel 600反应性气体通道,可导入各种不同的反应性气体或腐蚀性气体而不会对天平造成污染.由于水平稳定的载气吹扫样品,使得载气对称重的影响小,热重的基线和称重结果更精确,

10、基线的稳定性更好,同时由于受气流的影响很小,也确保了DSC热传导的稳定性,提高了量热的精度.由于水平水平吹扫气体的合理性,可防止裂解气体回流,将分解物质有效快速的带出样品区.水平吹扫气体对天平无浮力效应,无需进行浮力校准,19,SDT Q600 综合热分析仪 结构与原理,专用的单独反应性气体通道,20,SDT Q600 综合热分析仪 结构与原理,单独反应性气体进口,21,含个结晶水的CaC2O4H2O的热重曲线如图,草酸钙在100以前没有失重现象,其热重曲线呈水平状,为TG曲线的第一个平台。在100和200之间失重并开始出现第二个平台。这一步的失重量占试样总质量的12.3%,正好相当于每mol

11、草酸钙失掉1molH2O,因此这一步的热分解应按脱水进行。在400和500之间失重并开始呈现第三个平台，其失重量占试样总质量的18.5%,相当于每mol草酸钙分解出1molCO，因此这一步的热分解应按热分解反应进行。在600和800之间失重并出现第四个平台,其失重量占试样总质量的30,正好相当于每mol草酸钙分解出1molCO2,因此这一步的热分解应按热分解反应进行。可见借助热重曲线可推断反应机理及产物。,22,SDT Q600 综合热分析仪 结构与原理,图为典型的DSC-TGA的同步测量曲线,在加热过程中,同时测量出样品的热流、重量、温差等不同信号的变化。详细显示了氮气条件下草酸钙的热分解过

12、程。完整的热重和热重微分信号定量的记录了失水过程和高温分解过程。DSC信号跟踪记录出样品失水和在较高温度下固体相态转变和熔融转变。在Q600中,热流自动通过实时样品重量进行热流的动态归一处理。,23,SDT Q600 综合热分析仪 结构与原理, 温度范围宽：室温1500 升温速率：0.1 to 100/min. 到1000， 升温速率：0.1 to 25/min. 1000 到1500 炉子类型：水平式 DTA的灵敏度：0.001 天平设计：双杆设计(真正实时动态测量DSC信号而非通过软件换算) 样品量(最大)：200mg 天平灵敏度：0.1mg 智能等温技术(高分辨测量技术)： 热电偶：铂/

13、铂铑(R型) 内置自动气体切换装置：包括内置质量流量计(专利)，气体流量控制更精确 真空度：至7 Pa(0.05Torr),Q600 技术性能指标1,24,SDT Q600 综合热分析仪 结构与原理, 量热准确度：2（基于标准金属） 量热精度：2（基于标准金属） 水平炉体/样品参比双样品杆/反应气体通道利于气体与样品的接触，将进行气体交换确保红外或质谱分析与失重一致，没有烟囱(浮力)相应 温度校准：15点金属校准 强制空气冷却，30 mins从1500降至50 易于操作使用:自动温度校准,自动重量校准 自动归零及记录样品重量自动采集、存储和显示数据炉体自动开启、闭合实验之间自动冷却,Q600

14、技术性能指标2,25,SDT Q600 综合热分析仪 结构与原理,四.实验步骤与操作规程 1.检查周围环境及仪器状态。要求室内环境温度为235。 在SDT和控制器之间进行所有必要的电缆连接,连接所有气体线路,检查并接通各个装置的电源,将控制器连接到仪器,熟悉控制器的操作,如果有必要,请校准SDT。 2.设置净化气体。 主净化气体应该限制为常用的、最好是N2、Ar等惰性气体。推荐的流量设置为100ml/min。辅助净化气体主要为引入更具反应性的气体,其流速通常低于主净化气体,推荐的流量设置为20ml/min。,26,SDT Q600 综合热分析仪 结构与原理,3.设定所需的SDT模式及要保存的信

15、号(热流、重 量或Delta/T)等。 4.选择并准备样品。这包括准备一个适当大小的 样品并将其放到测杯中。 5.选择、加载并在天平上毛重称量SDT测杯(包括 样品测杯和参照测杯)。 6.通过TA/DSC控制器输入实验和过程信息,其中包括样品信息和仪器信息。 7.关闭炉子。 8.开始实验。,27,SDT Q600 综合热分析仪 结构与原理,9.停止实验 如果由于某种原因,需要终止实验,可随时通过按下触摸屏上的STOP键或通过仪器控制软件选择停止来中止实验。另一种能停止实验的功能是拒绝。但使用“拒绝”功能会丢失从实验中获取的所有数据;“停止”功能会保存在停止实验之前收集的任何数据。,28,注意事项： 1.对于DSC-TGA实验，必须使用高铝瓷或刚玉(氧化铝)90l 测量坩埚。 2.不要在SDT炉子中使用氢气或任何腐蚀性、易燃性气体,炉子必须远离挥发性的易燃碳氢化合物。 3.样品中尽量不要含有氟(F)元素；挥发性样品必须加盖子。 4.加载样品时，请从横梁上取下测杯，如果样品材料溢出到平台上,会对平台导致永久性的污染。 5.不要将炉子加热到