实验一差热分析仪器的认识实验指导书

31245实验一差热分析仪器的认识实验一、实验目的1.了解差热分析仪的构造；2.掌握差热分析的基本原理及测量方法；3.熟悉差热分析仪的操作；二、实验原理概述差示扫描量热法（DSC）是指在加热的过程中，测量被测物质与参比物之间的能量差与温度之间的关系的一种方法技术。图1-1为功率补偿式DSC仪器示意图：图1-1功率补偿式DSC示意图1.温度程序控制器；2.气氛控制；3.差热放大器；4.功率补偿放大器；5.记录仪当试样发生热效应时，譬如放热，试样温度高于参比物温度，放置在它们下面的一组差示热电偶产生温差电势UΔT，经差热放大器放大后送入功率补偿放大器，功率补偿放大器自动调节补偿加热丝的电流，使试样下面的电流Is减小，参比物下面的电流IR增大，而Is+IR保持恒定。降低试样的温度，增高参比物的温度，使试样和参比物之间的温差ΔT趋于零。上述热量补偿能及时，迅速完成，使试样和参比物的温度始终维持相同。设两边的补偿加热丝的电阻值相同，即RS=RR=R，补偿电热丝上的电功率为PS=I2SR和PR=I2RR。当样品没有热效应时，PS=PR；当样品存在热效应时，PS和PR的差ΔP能反映样品放（吸）热的功率：ΔP=PS-PR=I2SR-I2RR=（IS+IR）（IS-IR）RISIRRΔP’ΔP’SUΔTUΔTK1UTCUT=（IS+IR）ΔV=IΔV（1）由于总电流IS+IR为恒定，所以样品的放（吸）热的功率ΔP只和ΔV成正比，记录ΔP随温度T或者时间t的变化就是试样放热速度（或者吸热速度）随T（或t）的变化，这就是DSC曲线，在DSC中，峰的面积是维持试样与参比物温度相等所需要输入的电能的真实量度，它与仪器的热学常数或试样热性能的各种变化无关，可进行定量分析。DSC曲线的纵坐标代表试样放热或吸热的速度，即热流速度，单位是mJ/s，试样放热或吸热的热量为：ΔQ=12'ttdtP（2）式（2）右边的积分就是峰的面积，峰面积A是热量的直接度量，也就是DSC直接测量热效应的热量，但是试样和参比物与补偿加热丝之间总是存在热阻，补偿的热量有些失漏，因此热效应的热量应该是ΔQ=KA,K为仪器常数，可由标准物质实验确定，这里的K不随温度、操作条件而变，这就是DSC与DTA定量性能好的原因；同时试样和参比物与热电偶之间的热阻可作得尽可能的小，这就使DSC对热效应的响应快、灵敏、峰的分辨率好。图1-2是试样的DTA曲线或DSC曲线的模式图（我们以典型的聚合物DSC曲线为例），当温度达到玻璃化转变温度Tg时，试样的热容增大就需要吸收更多的热量，使基线发生位移。假如试样是能够结晶的，并且处于过冷的非晶状态，那么在Tg以上可以进行结晶，同时放出大量的结晶热而产生一个放热峰。进一步升温，结晶熔融吸热，出现吸热峰。再进—步升温试样可能发生氧化、交联反应而放热，出现放热峰，最后试样则发生分解吸热，出现吸热峰。当然，并不是所有的试样都同时存在上述全部的物理和化学变化的。结晶玻璃化转变Tg变化后的基线TcTmTd分解、气化固化、氧化、反应、交联基线固——固一级转变ΔT（℃）放热吸热图1-2试样的DTA曲线或DSC曲线的模式图确定Tg的方法是由玻璃化转变前后的直线部分取切线，再在实验曲线上取一点，如图1-3（a），使其平分两切线之间的距离Δ，这一点所对应的温度即为Tg。Tm的确定，对于低分子的纯物质来说，如苯甲酸，如图1-3（b）所示，由峰的前部斜率最大处作切线和基线延长线相交，此点所对应的温度取作为Tm。对于聚合物来说，如图1-3（c）所示，由峰的两边斜率最大处引切线，相交点所对应的温度为Tm，或者取峰顶温度为Tm。结晶温度TC通常也是取峰顶温度，峰面积的取法如图1-3（d）和（e）所示。可以用积分的方法求出。1/2Δ1/2ΔTgTmTm（a）Tg的确定（b）（c）Tm的确定（d）（e）峰面积的确定随着科学技术的进步，热分析仪也发生了很大的变化，特别是在控制技术和数据处理方面，先进的硬件和软件大大简化了我们的工作。现代热分析仪由计算机和相应的软件控制，不但提高了仪器的精度，还可以自动处理数据，求出Tg、Tm和峰面积A等重要参数。三、实验设备设备：差热分析仪（SDTQ600）一台，主要由机箱、加热系统、天平和计算机构成。四、实验步骤（一）测量准备a)测试样品需知道其主要成分，严禁测试易挥发、对Al坩埚有污染的样品，测试样品形状为粉末状、片状、块状，保证样品与测量坩埚底部接触良好且样品适量（如：在坩埚中放置1/3厚或10mg）以便减小在测试中的样品温度梯度，确保测量精度。b)开机后调整保护气体及吹扫气体的输出压力和流速。c)参比使用空坩埚，参比物与样品使用相同的坩埚。（二）样品测试程序a)充入保护气体，开机箱，机箱运行完毕后开电脑。b)点击电脑桌面TA图标，打开控制主界面，进入测量运行程序，选文件菜单中的打开选项，进行参数设置。c)选择测量模式，输入识别号、样品名称与样品质量。d)选择标准温度校正文件和标准灵敏度校正文件后，仪器开始测量直到测量结束。五、实验注意事项1.坩埚一定要清理干净，否则埚垢不仅影响导热，杂质在受热过程中也会发生物理化学变化，影响实验结果的准确性。2.试样一般用100～300目之粉末，聚合物可切成碎块或碎片，纤维状试样可截成小段或绕成小球，金属试样可加工成碎块或小粒，试样量一般不超过坩锅容积的五分之四，对于加热时发泡试样不超过坩锅容积的二分之一或更少，或用氧化铝粉沫稀释，以防止发泡时溢出坩埚，污染热电偶。3.参比物是在测温区内对热高度稳定的物质，一般用α-Al2O3粉沫，粒度为100～300目，最好经过1300℃以上高温焙烧和干燥保存。4.参比物的导热性能及热容最好与试样接近，以减少差热基线漂移。做金属试样的差热分析时也可用铜或不锈钢做参比物。试样量较少或热容很小时，也可以不用参比物，直接放空坩埚。5.实验过程中注意不要动计算机键盘。六、参考书籍1.吴思诚,王祖铨.近代物理实验(第3版).高等教育出版社,2005.2.金丽萍,邬时清,陈大勇.物理化学实验.华东理工大学出版社,2005.