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日立仪器(上海)有限公司

热分析的定义

  • A group of techniques in which a property of the sample is monitored against time or temperature while the temperature of the sample, in a specified atmosphere, is programmed.
  • 热分析技术是在控制程序温度下测量物质(或其反应生成物)的物理性质与温度(或时间)的关系的一类技术总称。

上述为 ICTAC(国际热分析及量热学联合会)以及JIS(日本工业规格)对热分析所做定义。

上段所述的是, ICTAC在1991年发行的根据“For Better Thermal Analysis and Calorimetry” “3rd Edition”对热分析的定义。下段所述的是,JIS K 0129:2005“热分析通则”对热分析的定义。

ICTAC、JIS,都把在控制程序温度下,测量样品的物理性质的技术全部定义在热分析的范畴里。


图1 热分析仪器的结构图

图1所示是一般的热分析仪器的结构图。
热分析仪器基本由以下的部分所构成。

结构图
检测部分 加热单元、样品设置单元、检测单元(传感器),通过加热单元加热冷却样品的同时,检测样品的温度和物理性质。
温度控制部分 根据设定的程序控制加热炉的温度。
数据记录部分 采集检测器与温度感应器来的信号,进行从数据记录到解析的处理。

现代的热分析仪器是通过电脑完成从温度控制到数据记录、解析的全过程。通过检测部分的传感器与加热炉的组合,能够完成多种测量,即1台电脑能够连接多种类的检测部分。

热分析技术可根据所检测物理性质的不同,而采用不同的方法,并可作为不同的技术方法而定义。一般而言,代表性的热分析方法如表1所示。分别是,检测温度(温度差)的差热分析、检测热流差的差示扫描量热分析、检测质量(重量变化)的热重分析、检测力学特性的热机械分析以及动态热机械分析的5种方法。各热分析方法的英文简称分别是DTA、DSC、TG、TMA、DMA。

名称 测量对象 測定単位
DTA 差热分析
differential thermal analysis
温差 °C, µV*
DSC 差示扫描量热分析
differential scanning calorimetry
热流 W (=J/sec)
TG(TGA) 热重分析
thermogravimetry
质量 mg
TMA 热机械分析
thermomechanical analysis
长度 µm
DMA 动态热机械分析
dynamic mechanical analysis
粘弹性 Pa(=N/m²)

* 照原始输出对热电的电动势的场合

表1 热分析的分类的总结

表2所示,各种热分析方法与各类样品观察到的现象、物性等测量对象的对应。

分析方法
现象/物性 DSC TG TMA DMA
熔融 Δ Δ
玻璃化转变
结晶 Δ
反应(固化、聚合) Δ
升华、蒸发、脱水 Δ Δ Δ
热分解 Δ
热膨胀、热收缩
热历史的分析
比热容量

⚪:测量对象、Δ:可对应的测量对象、—:不可对应的测量对象

表2 各种分析方法与测量对象

DSC除了可以对熔融、玻璃化转变、结晶等进行测量以外,还可以对应各种化学反应及热历史的分析、比热容进行测量。但是,虽然升华、蒸发等热分解的测量是可能的,但是由于这些反应伴随着分解的发生而导致样品量的变化,所以测量结果的定量有不足,而且由于分解发生的气体会对DSC传感器产生腐蚀等原因,所以一般不使用。

TG可以对升华、蒸发、热分解、脱水等在测量中质量发生变化的化学、物理变化进行测量。与DTA配合,可以完成比熱以外的所有测量。

TMA是对热膨胀、热收缩、玻璃化转变、固化反应、热历史等伴随形状变化的物质和反应进行测量。虽然熔融、结晶等有形状变化的测定也是可能的,但是应当注意由于熔融而引起探针的粘连。

DMA主要通过捕捉伴随分子内部的运动和结构变化的现象,以玻璃化转变、结晶、反应、热历史等为测量对象。对于熔融,虽然初期状态是可以用DMA测量的,但是随着进一步熔融,样品的形状和尺寸发生较大变化后,就无法进行DMA的测量了。