热分析实验报告

热分析实验报告热分析技术是研究物质的物理过程与化学反应的一类重要的实验技术。具体来说，它是在一定气氛和程序控制温度下连续测量物质的性质（如质量、热量、体积等）随温度或时间关系的一类技术。热分析技术不仅用来研究物质的各种转变（如玻璃化转变、固相相转变等）和反应（如氧化、分解、还原、交联、成环等反应），还可以用来确定物质的成分、判断物质的种类、测量与温度相关的热膨胀系数、比热容、热扩散系数等热物性参数。迄今为止，热分析方法已在矿物、金属、石油、食品、建材、陶瓷、医药、化工等材料的各个领域获得了广泛的应用。01热分析方法的特点

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快速、方便、灵敏度高、所需样品量少、可以连续地记录变化的全过程；▷

方法种类繁多（见下表）；▷

实验条件对实验曲线影响很大。

▼表1

传统热分析技术的分

▼表2常用的热分析联用方法02热分析方法的现状热分析技术的复杂性，决定了实验方案设计和曲线解析之间是一个有机的整体。在实际工作中，经常会出现实验方案设计不合理和曲线无法解析的现象。对于不合理的实验方案设计，通常无法对曲线进行满意、合理的解析；对曲线进行解析时，如果不充分考虑实验过程中采用的实验条件和所用的热分析方法自身的特点，也会出现无法对曲线进行解析的现象。下面就重点讲讲关于热分析实验与曲线解析的相关知识。03热分析实验设计一般来说，当进行热分析实验之前，应根据实验需求来从十几种热分析技术中选择合适的实验方法。例如，测量一种物质的熔融过程时，一般选择差热分析和差示扫描量热法。另外，在测量未知物的熔融过程时还应通过热重实验来提供间接的证据支持。在选定合适的热分析方法后，还需要选择合适的实验条件，主要包括几个方面：（1）试样状态（粉末、薄膜、颗粒、块体等）；（2）试样用量；（3）试样容器（坩埚）、适用于DMA实验的夹具、适用于TMA实验的探头种类；（4）实验温度范围；（5）实验气氛的种类的流速；（6）温度变化方式主要包括等温、升温/降温扫描、温度调制等；（7）其他条件（主要包括预加载力，力的施加方式，光源）。在实验过程中所用的试样的来源、前处理方式、实验条件如加热速率、等温时间、试样容器以及实验所用仪器自身的差异等因素会对最终的实验结果带来不同程度的影响。如果忽视这些影响因素，将很难得到理想的热分析实验结果，甚至会得到错误的实验结论。☞与热分析实验方案的设计相关的内容，可参见下面推荐的图书。04热分析曲线解析完成实验后，对于热分析曲线进行合理、全面的解析十分关键。▍一般原则在对热分析曲线进行解析时，应结合所使用的热分析技术的特点和所采用的实验条件，遵循科学性、准确性、合理性、全面性的原则。☞热分析曲线解析的原则与方法，可参见下面推荐的图书。

▍一般解析步骤

热分析曲线解析步骤是决定实验成败的一个十分关键的步骤。概括来说，热分析曲线解析主要包括以下几个方面的内容：1）数据处理

在获得了热分析实验数据之后，用仪器附带的分析软件打开实验时生成的原始文件。由于数据采集软件是以时间为单位进行计时的，对于恒定加热/降温速率的实验而言，可以通过下式将时间换算成温度：▲式中T0为实验开始温度，t为实验时间，β为温度变化速率。对于TG曲线，在数据采集软件中的每一时刻t时分别记录了相对应的温度和质量。在作图时，可以直接用温度轴作为横轴，通常用纵坐标轴表示质量。为了便于比较，一般通过软件将试样的绝对质量（单位一般为毫克）转换为相对质量（用百分比的形式表示）。实验开始时的质量一般为100%，在实验过程中的每一时刻（即温度）下的质量百分数为以百分比表示的试样质量，如图1所示。▲图1

典型的TG曲线的表示方法在热分析曲线中，纵坐标从上向下表示所测得的质量（一般用百分比形式表示）的减少，横坐标从左向右表示温度或时间增加。为了更加准确地确定所得到的曲线中的特征转变，通常会对曲线进行一阶或者多阶微商处理。例如，一阶微商热重曲线通常用来表示质量变化速率与随温度或时间的变化关系，其由质量曲线对温度或时间一阶求导得到，如图2所示。图2中的DTG曲线的峰面积即对应于图1中台阶的高度，峰值对应于质量减少最快的速率，峰的位置则对应于质量减少最快的温度。▲图2

典型的DTG曲线的表示方法2）热分析曲线的描述与解释

对热分析曲线的描述是曲线解析的十分重要的一步，应结合实验条件、样品的组成、结构、前处理、制备方法等相关信息对热分析曲线进行科学、合理、准确、全面地描述。由热分析技术所得到的曲线是在程序控制温度和一定气氛下物质的性质与温度或时间关系的反映，即热分析曲线。曲线的横坐标一般为温度或时间，纵坐标为所检测的物理量。当试样在加热过程中因物理或化学变化而有挥发性产物逸出或转变为其他的状态或结构形式时，由热分析曲线可以得到它们的组成、热稳定性、热分解及生成的产物等与所测量的性质相关联的重要信息。另外，还可以通过动力学分析方法对热分析曲线进行分析，得到不同的过程所对应的动力学参数的信息。【示例】下图为用差示扫描量热法（DSC）研究由氰胺加热制得g-C3N4

的实验曲线。▲图3

利用氰胺热聚合生成g-C3N4

的DSC曲线由图3可以获得以下信息，在加热过程中主要经历了以下阶段：①氰胺在45°C时发生熔融（对应于DSC曲线中的吸热峰）；②在150°C时，氰胺聚合形成二聚氰胺，为放热过程（对应于DSC曲线中的放热峰）；③在200°C时，二聚氰胺发生熔融（对应于DSC曲线中的吸热峰）；④在240°C时，形成三聚氰胺，为放热反应（对应于DSC曲线中的放热峰）；⑤部分三聚氰胺在350°C发生升华，为吸热过程（对应于DSC曲线中的吸热峰）；⑥在520°C附近，形成网状结构g-C3N4，为吸热过程（对应于DSC曲线中的吸热峰）。为了获得可靠的曲线并对曲线做出正确的解释，首要的是使确定合理的实验条件，并尽可能应用其他方法（例如X射线分析、逸出气分析等方法）对得到的结果作进一步的补充。

3）热分析曲线的规范报道

在对热分析曲线进行报道时，应将测试数据结合热分析曲线来表示。在结果报告中可包括以下内容：a)

标明试样和参比物的名称、样品来源、外观、检测时间、样品编号、委托单位、检测人、校核人、批准人及相关信息；b)

标明所用的测试仪器名称、型号和生产厂家；c)

列出所要求的测试项目，说明测试环境条件；d)