热分析实验方案设计与曲线解析概论

第I部分 热分析技术简介 / 1
第1章 热分析技术简介 / 2
1.1 热分析技术的定义及相关术语 / 2
1.1.1 定义 / 2
1.1.2 相关术语 / 3
1.2 热分析技术的分类 / 3
1.3 常用热分析仪器 / 5
1.4 热分析技术的特点 / 7
1.4.1 热分析技术的优势 / 8
1.4.2 热分析技术的局限性 / 10
1.5 热分析曲线的影响因素 / 12
1.5.1 仪器因素 / 12
1.5.2 操作条件因素 / 12
1.5.3 人为因素 / 17
1.5.4 实验室工作环境因素 / 18
1.5.5 其他影响因素 / 18
1.6 热分析技术的应用领域 / 19
1.7 热分析实验方案设计简介 / 21
1.8 热分析曲线解析的基本原则 / 22
1.9 热分析曲线解析步骤简介 / 22
1.9.1 数据处理 / 22
1.9.2 标注曲线的特征变化 / 23
1.9.3 热分析曲线的描述 / 24
1.9.4 热分析曲线的分析 / 24
1.9.5 热分析曲线的规范报道 / 25
参考文献 / 25

第II部分 热分析实验方案设计 / 29
第2章 热分析实验方法的选择 / 30
2.1 实验方法选择的基本原则 / 30
2.1.1 发生较明显质量变化过程的实验方法选择 / 30
2.1.2 发生较少质量变化过程的实验方法选择 / 31
2.2 在研究相转变时的热分析实验方法选择 / 32
2.2.1 相变简介 / 33
2.2.2 可用于相变研究的常用热分析技术 / 36
2.3 研究热分解时的热分析实验方法选择 / 39
2.4 特征物理参数的测量 / 42
2.5 在确定样品的热处理条件时的实验方法选择 / 43
2.6 特殊环境下的实验方法选择 / 45
参考文献 / 46

第3章 热分析实验条件设计 / 47
3.1 确定实验条件的基本原则 / 47
3.1.1 试样量/试样形状的选择 / 47
3.1.2 实验气氛的选择 / 48
3.1.3 温度控制程序的选择 / 49
3.1.4 实验容器或支持器的选择 / 51
3.1.5 其他实验条件的选择 / 53
3.1.6 控制环境下的实验条件的选择 / 53
3.1.7 数据采集频率的设置 / 53
3.2 热重法的实验条件选择 / 54
3.2.1 制样 / 54
3.2.2 实验气氛 / 55
3.2.3 温度程序 / 55
3.2.4 坩埚 / 58
3.3 差示扫描量热法的实验条件选择 / 59
3.3.1 制样 / 60
3.3.2 实验气氛 / 60
3.3.3 温度程序 / 60
3.3.4 坩埚 / 62
3.4 同步热分析法的实验条件选择 / 63
3.5 热机械分析法的实验条件选择 / 64
3.5.1 制样 / 65
3.5.2 实验气氛 / 65
3.5.3 温度程序 / 65
3.5.4 支持器类型 / 66
3.5.5 实验模式 / 67
3.6 热分析联用技术的实验条件设定 / 67
3.6.1 热分析/质谱联用技术的实验条件设定 / 68
3.6.2 热分析/红外光谱联用技术的实验条件设定 / 70
参考文献 / 72

第4章 典型的实验方案设计应用实例 / 74
4.1 利用热分析法确定物质的热稳定性的实验方案设计 / 74
4.1.1 确定化学品的热稳定性和含水量 / 74
4.1.2 确定复合材料在不同条件下的热稳定性 / 75
4.1.3 利用热分析法研究药物的热稳定性 / 76
4.2 利用热分析法确定物质组成的实验方案设计 / 76
4.2.1 利用热分析法确定超导化合物中氧含量 / 77
4.2.2 利用热分析法确定催化剂的组成 / 78
4.2.3 利用热分析法确定复合材料的组成 / 78
4.2.4 利用热分析法确定聚合物的组成 / 80
4.3 利用热分析法确定热分解机理的实验方案设计 / 80
4.3.1 利用热分析法确定简单体系的热分解机理 / 81
4.3.2 利用热分析法确定复杂体系的热分解机理 / 81
4.4 利用热分析法研究物质的相变的实验方案设计 / 84
4.4.1 利用热分析法研究物质的熔融过程 / 84
4.4.2 利用热分析法研究物质的固相相变 / 86
4.5 利用热分析法测量物质的玻璃化转变的实验方案设计 / 88
4.5.1 利用DSC或DTA法测量物质的玻璃化转变 / 88
4.5.2 利用TMA或DIL法测量物质的玻璃化转变 / 89
4.5.3 利用DMA法测量物质的玻璃化转变 / 90
4.5.4 利用介电热分析法测量物质的玻璃化转变 / 91
参考文献 / 92

第III部分 热分析曲线解析 / 95
第5章 热分析曲线解析的原则 / 96
5.1 热分析曲线解析的科学性 / 96
5.1.1 根据不同的热分析技术确定可能解决的科学问题 / 96
5.1.2 结合样品结构信息解析曲线中的特征信息 / 98
5.1.3 科学解释曲线中的微弱变化信息 / 99
5.2 热分析曲线解析的规范性 / 101
5.2.1 热分析曲线作图的规范性 / 101
5.2.2 规范确定热分析曲线中的特征物理量 / 104
5.2.3 规范描述热分析曲线所对应的实验条件以及所得到的信息 / 108
5.3 热分析曲线解析的准确性 / 108
5.3.1 热分析曲线所对应的数据的准确性 / 109
5.3.2 结合样品信息准确解析热分析曲线 / 112
5.3.3 结合实验方法自身特点准确解析热分析曲线 / 114
5.3.4 结合实验条件准确解析热分析曲线 / 115
5.4 热分析曲线解析的合理性 / 116
5.4.1 正确看待实验过程中仪器自身对曲线的影响 / 116
5.4.2 结合样品的实际信息对曲线进行合理的解析 / 121
5.4.3 结合实验条件对曲线进行合理的解析 / 123
5.5 热分析曲线解析的全面性 / 124
5.5.1 结合热分析联用技术尽可能全面地解析热分析曲线 / 124
5.5.2 结合其他分析手段尽可能全面地解析热分析曲线 / 138
参考文献 / 145

第6章 热分析曲线的解析过程 / 147
6.1 概述 / 147
6.2 热分析曲线的获取 / 147
6.2.1 与热重实验相关的信息 / 147
6.2.2 与差示扫描量热实验相关的信息 / 150
6.2.3 与热重-差示扫描量热实验和热重-差热分析实验相关的信息 / 151
6.2.4 与热膨胀实验相关的信息 / 151
6.2.5 与静态热机械分析实验相关的信息 / 151
6.2.6 与动态热机械分析实验相关的信息 / 152
6.2.7 与热分析联用实验相关的信息 / 154
6.3 实验数据的导入与基本分析 / 154
6.3.1 实验数据的导入 / 154
6.3.2 实验数据的作图 / 154
6.3.3 曲线的简单数学处理 / 156
6.3.4 曲线中特征变化的分析 / 159
6.3.5 软件中多条曲线的对比与分析 / 161
6.3.6 数据的导出 / 161
6.4 在作图软件中对热分析曲线的作图和进一步分析 / 162
6.4.1 在Origin软件中导入实验数据 / 162
6.4.2 在Origin软件中作图 / 165
6.4.3 在Origin软件中对曲线进行简单的数学处理 / 167
6.4.4 在Origin软件中对多条曲线进行对比 / 168
6.5 热分析曲线的描述 / 170
6.5.1 样品信息的描述 / 170
6.5.2 实验条件的描述 / 172
6.5.3 热分析曲线的描述 / 173
6.6 热分析曲线的初步解析 / 180
6.6.1 结合样品信息解释曲线中发生的变化 / 180
6.6.2 结合实验条件信息解释曲线中发生的变化 / 183
6.7 热分析曲线的综合解析 / 184
6.7.1 通过多种分析技术对热分析曲线进行互补分析 / 184
6.7.2 通过多种分析技术对热分析曲线进行验证分析 / 189
6.7.3 通过外推方法对热分析曲线进行分析 / 190
6.8 撰写实验报告或科研论文 / 193
6.9 必要时建立并完善热分析曲线数据库 / 194
参考文献 / 194

第7章 典型的热分析实验曲线解析举例 / 196
7.1 热重曲线的解析实例 / 196
7.1.1 由热重曲线确定样品的组成 / 197
7.1.2 利用热重曲线确定物质的结构式 / 204
7.1.3 由热重曲线确定分解机理 / 205
7.1.4 由热重曲线确定热稳定性 / 212
7.1.5 特殊应用领域中的热重曲线解析 / 217
7.2 差示扫描量热曲线的解析实例 / 218
7.2.1 由DSC曲线确定物质的状态变化 / 219
7.2.2 由DSC曲线确定物质的结晶度 / 227
7.2.3 由DSC曲线确定物质的比热容 / 229
7.2.4 由DSC曲线确定药物和小分子有机物的纯度 / 231
7.2.5 由DSC曲线确定物质的热导率 / 235
7.2.6 由DSC曲线确定物质的相图 / 237
7.2.7 由DSC曲线确定物质的组成 / 239
7.2.8 由DSC曲线确定物质的反应条件 / 241
7.2.9 由DSC曲线比较不同工艺下得到的材料的差异 / 242
7.3 同步热分析曲线的解析实例 / 242
7.3.1 TG-DTA和TG-DSC曲线的基本解析 / 243
7.3.2 分析物质的热分解过程 / 244
7.3.3 由TG-DSC曲线确定添加组分对物质热分解过程的影响 / 245
7.3.4 确定材料的热处理工艺时的曲线分析 / 246
7.4 热膨胀曲线的解析实例 / 247
7.4.1 通过热膨胀曲线研究材料的相变 / 249
7.4.2 通过热膨胀曲线确定陶瓷材料的烧结条件 / 250
7.5 热机械分析曲线的解析实例 / 252
7.5.1 不同操作模式下得到的TMA曲线 / 252
7.5.2 TMA曲线中特征量的确定 / 254
7.5.3 TMA曲线的应用实例 / 255
7.6 动态热机械分析曲线的解析实例 / 255
7.6.1 由DMA曲线研究高聚物的玻璃化转变 / 257
7.6.2 由DMA曲线研究热固性材料的固化程度和测定凝胶点 / 260
7.6.3 由DMA曲线研究聚合物的相容性 / 261
7.6.4 由DMA曲线研究聚合物的阻尼性能 / 262
7.6.5 由DMA曲线测量高聚物的次级转变及低温性能研究 / 262
7.6.6 由DMA曲线测量高聚物的耐老化性能研究 / 264
7.7 由热分析联用技术所得曲线的解析实例 / 265
7.7.1 热重/红外光谱联用曲线的解析 / 265
7.7.2 热重/质谱联用曲线的解析 / 271
7.7.3 其他联用技术得到的曲线的解析 / 276
参考文献 / 277

第IV部分 与热分析实验方案设计和曲线解析相关的常见问题分析/ 279
第8章 与热分析实验方案设计相关的常见问题分析 / 280
8.1 与实验方法选择相关的常见问题分析 / 280
8.1.1 对实验方法缺乏了解 / 280
8.1.2 实验目的不清晰 / 287
8.2 与实验条件选择相关的常见问题分析 / 288
8.2.1 与样品处理方法相关的问题 / 288
8.2.2 与温度控制程序相关的问题 / 289
8.2.3 与实验气氛相关的问题 / 292
8.2.4 与其他实验条件相关的问题 / 296
参考文献 / 296

第9章 与热分析曲线解析相关的常见问题分析 / 297
9.1 仪器状态的判断 / 297
9.1.1 曲线中出现与样品和实验条件无关的异常峰 / 298
9.1.2 曲线中出现与样品和实验条件无关的异常漂移 / 299
9.1.3 曲线中未出现与样品和实验条件有关的变化信息 / 300
9.2 基线的合理确定 / 300
9.2.1 热分析中基线的定义及分类 / 300
9.2.2 曲线解析中与基线相关的主要问题 / 303
9.3 曲线的规范表示 / 306
9.3.1 热分析曲线的规范表示方法 / 306
9.3.2 热分析曲线的规范表示中的常见问题分析 / 307
9.4 曲线的合理描述 / 312
9.5 曲线中异常的波动现象 / 312
9.6 由于样品自身热效应而引起的曲线变形 / 314
9.7 平滑 / 317