热分析实验方案

实验课程名称综合性实验设计系科专业材料与化工学院实验项目名称热分析在高分子材料中的应用实验班级110313——110315实验项目类型综合性实验方案编写人实验项目类型综合性实验指导教师杨晶晶实验员指导教师实验地点实验时间一、实验目的1.了解热分析法的种类、仪器装置及使用方法。2.掌握几种热分析法的基本原理、测试技术及影响测量准确性的因素。3.掌握热分析法在聚合物结晶中的分析原理，并能对实验结果做出解释。二、方法简介：1.热重分析法热重分析法（TG）是在程序温度控制下，测量物质的质量随温度变化的一种实验技术。一般有静态法和动态法两种类型：静态法是在恒温下测定物质质量变化与温度的关系，将试样在各给定温度加热至恒重，该法用来研究固相物质热分解的反应速率和测定反应速度常数。动态法是在程序升温下测定物质质量变化与温度的关系，采用连续升温连续称重的方式。由热重分析记录的质量变化对温度的关系曲线称为热重曲线（TG曲线）。曲线横坐标为温度，纵坐标为质量，如热分解反应A(s)→B(s)+C(g)的热重曲线如图1所示。图中Ti为起始温度，即累积质量变化达到热天平可检测的温度；Tf为终止温度，即累积质量变化达到最大值时的温度；热重曲线上质量基本不变的部分称为基线或平台。若试样初始质量为W0，失重后试样质量为W1，测失重百分数为2.差示扫描量热法（DSC）DSC的技术方法是按照程序改变温度，使试样与标样之间的温度差为零。测量两者单位时间的热能输入差。就是说，使物转移过程中的温度和热量能够加以定量物质在加热过程中会在某温度下发生分解、脱水、氧化、还原和升华等一系列的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物质的结构和组成而异，因此可以利用物质的热重曲线来研究物质的热变化过程，推测反应机理及产物。将实验以一定的升温速度加热至熔点以上，恒温一定时间，以充分消除试样的热历史，然后，迅速降温至测试温度进行等温结晶。由于结晶时放出结晶潜热，所以出现一个放热峰，见图。基线开始向放热方向偏离时，作为开始结晶的时间（t0），重新回到基线时，作为结晶结束的时间（t＝t∞），则t时刻的结晶程度为式中xt、x∞是结晶时间为t及无限大时非晶态转变为晶态的分数；At、A∞为0～t时间及0～∞时间DSC曲线所包含的面积。聚合物结晶放热峰三、实验部分1.仪器介绍差示扫描量热仪DSC823e，其主要由精密天平、加热炉、和控制单元组成。加热炉由温控加热单元给定速度升温，温度由测温热电偶输出热电势，放大后送入计算机进行处理。炉中试样质量变化由天平测量记录，天平变化由光电传感器转化为电信号，放大后送入计算机进行处理。计算机根据测得数据自动进行绘图处理。2.实验原理简要①将聚合物以一定的升温速率加热至聚合物的熔点以上，使聚合物全部成为非晶态熔体，恒温一定时间，以便充分试样的热历史和受力历史(在N气氛保护下以100℃·min的速度从室温升到一定温度，保温5min)。②然后迅速降温至测试下的特定温度进行等温结晶。③观察结晶状况。由于密度变大，会发生体积收缩或用热效应来衡量。观察等温条件下的聚合物结晶过程以及可计算相应的结晶速率等问题。然后,以不同的降温速率冷却至室温结晶,测定样品在结晶过程中热焓值随温度的变化.对于一个试样聚合物，先通过看晶体的完善程度，以及粘度等从而确定其熔融的大致范围（不完善的晶体可选择低温熔融，而完善的晶体则选用高温度进行熔融）。一般情况下是结晶聚合物熔融的体积（或比热容）对温度有依赖关系，可通过多组实验作图。从图上找到熔融范围及熔限。在通过在熔限范围取一系列温度进行等温熔融，从而反复做实验，进行观察，找到熔融最完全的特定熔融温度。从而通过作图得到特定的熔融温度。一般聚合物只有在熔点与玻璃化温度之间才可结晶，因此可通过查找玻璃化温度和确定好的熔融温度从而确定结晶过程的一系列温度范围。在温度范围内进行一定的温度设定，从而通过多次不同的温度的等温结晶试验，观察该试样的特定结晶温度。3.具体实验方案3.1热重分析利用热重分析了解聚合物的热稳定性。1、以10oC/min的速率从40oC升温至700oC，得到相关数据，并分析数据，得出样品的热分解温度等信息；2、将样品快速升温至200oC或是选定的热处理温度，恒温1-2小时，观察样品的失重过程，确定实验条件合理性。(热处理温度为在进行聚合物结晶实验时，第一步的升温消除热历史的最高温度)。3.2DSC分析等温或是非等温结晶过程，研究聚合物的结晶行为。(注意不管是哪一种研究过程，首先第一步均是升温消除热历史后再进行设定好的方案进行)1、非等温结晶研究根据样品选择一些不同的速率(例如：2oC/min，3oC/min，5oC/min，10oC/min，20oC/min等)，进行聚合物的非等温结晶行为研究。热分析程序设计例子：30oC/min快速升温至200oC，停留5分钟(消除热历史)；以10oC/min速率降温至30oC，停留1分钟；以10oC/min速率升温至200oC。2、等温结晶研究根据非等温热分析得到的结果(Tc，Tm)，选取一系列的温度研究温度对样品结晶行为的影响。热分析程序设计例子：30oC/min快速升温至200oC，停留5分钟(消除热历史)；以10oC/min速率降温至100oC，停留120分钟；(进行等温结晶)以10oC/min速率升温至200oC。(观察结晶的熔融行为)四、实验总结分析1.收集相应数据数据做出实验分析2.撰写实验报告