文档介绍：热重分析
一、实验目的
,测量聚合物的热重(TG)曲线和微分热重(DTG)曲线。
。
二、实验原理
(b)动力学计算
(a)热谱图图1 给定聚合物在恒定的△(1/T)热降解动态图
TG曲线的形状与试样分解反应的动力学有关,因此反应级数n、活化能E、阿累尼乌斯公式中的频率因子A等动力学参数,均可从热重曲线中求得。这些参数在说明聚合物降解机理或评价聚合物的热稳定性等方面是非常有用的。一种由TG曲线计算动力学参数的方法如下:
对于包含下述类型分解过程的反应:
A(固体)→B(固体)+C(气体) (1)
其热损失重速率k可由Areniws方程表示:
k=dW/dt=A×W×exp(-E/RT) (2) n
式中A为指前因子,W为剩余试样重量,n为反应级数,dW/dt为反应速率(mg/s或Kg/s),E为活化能,R为普适气体常数,T为绝对温度。将(2)式取自然对数得到:
ln(dW/dt)=lnA+n×lnW-E/RT (3)
将两个不同温度的实验值代入(3)式,然后两式相减,即可得到以差值形式表示的方程:
△ln(dW/dt)= n×lnW-E/R)△(1/T) (4)
由图1可以计算出n及E/R值。其纵坐标上截距为E/R,斜率为tanα=n还有很多从热重曲线计算动力学参数的方法。有兴趣的同学可参考后面所引的文献。
剩余物的百分重量,% 温度,℃图2常用聚合物的TG谱图(加热速度10℃/min 氮气中测定) 4561 2 3 1 聚***乙烯2 聚甲醛 3 聚氨酯 4 聚乙烯 5 尼龙66 6 聚苯乙烯尽管TG曲线能详尽地描述在整个反应变化过程中试样的重量变化情况,从中获得各种反应的大量情报,但仅从曲线本身无法解释发生这些变化的原因。如果要达到这样的目的,还得辅以其它分析方法,如X射线衍射、
IR、DTA、DSC和质谱分析等方法。三、实验器材 ZRY-2P综合热分析仪,主要由天平测量系统、微分系统、差热放大和温度控制系统、气氛和冷却系统、数据采集及处理系统、计算机、打印机等组成。
1. 天平测量系统(TG)
当物质被加热时,随着温度的增高,物质内部在某一特定温度下产生的物理变化和化学变化(如分解、氧化)时,常常伴随着物质重量的变化。热分析的原理就是将被加热式样的质量(或重量)变换成电流,电流的大小代表质量的大小。
当左侧热重- 差热连用样品支架上加入试样时,天平衡梁连同线
圈和遮光小旗发生逆时针转动,这时,通过光电转换等输出一电流,电流在磁场下,受力而产生一个顺时针的转动,只有当试样质量产生的力矩和线圈产生的力矩相等时,才达到平衡。此时,试样质量正比与电流、电压,经放大后,通过接口单元送入计算机处理。试样质量在升温过程中不断变化,就得到热重曲线TG 。
1. 微分系统(DTG)
微分系统的作用是对热重曲线TG进行一次微分运算,得到热重为分曲线DTG 。微分曲线的峰顶就是试样质量变化速率得最大值。该点所对应的温度,就是试样失重速率最快点的温度。
2. 差热测量系统(DTA)
差热分析(DTA)是测定试样在受热(或冷却)过程中,由于物理变化或化学变化所产生的热效应来研究物质转化及化学反应的一种分析方法,(即在程序温度下,测量物质与参比物的温度差值△T与温度的函数关系。△T向上为放热反应,向下为吸热反应)简称DTA(Differential Thermal Analysis),可用于测定物质在热反应时的特征温度及吸热或放出的热量,包括物质相变、分解、化合、凝固、脱水、蒸发等,尤其在聚合物(如聚烯烃、玻璃钢等)的热分析方面有重要意义。差热信号的测量通过样品支架实现,其基本结构如图所示。
在进行测试时,试样和参比物分别放在两个样品池内,加热炉以一定的速率升温,若试样没有热反应,则它的温度和和参比物温度之间的温差ΔT=0,若试样在某温度范围内有吸热(放热)反应,则试样温度将停止(或加快)上升,试样和参比物之间产生温差ΔT,将该信号放大,由计算机进行数据采集处理后形成
DTA峰形曲线,根据出峰的温度及其面积的大小与形状可以进行分析。
3. 温度控制系统(T)
该系统由程序控温单元、控温热电偶及加热炉组成。程序控制单元可编程序模拟复杂的图3 综合热分析仪的工作原理图
温度曲线,给出毫伏信号。当控温热电偶的热电势与该毫伏值有偏差时,说明炉温偏离给定值,由偏差信号调整加热炉功率,是炉温很好地跟踪设定值,产生理想的温度曲线。
炉体采用管状电阻炉结构,由螺纹氧化铝管、铂金炉丝、高温保温棉、控温热电偶的组成。控温热电偶设置在炉子恒温区,紧贴加热炉芯,通气氧化铝管和炉芯紧密配合,使炉芯温