劉素霞 張永剛

摘 要：熱分析技術(shù)廣泛應(yīng)用于陶瓷、玻璃、金屬/合金、礦物、催化劑、含能材料、塑膠高分子、涂料、醫(yī)藥、食品等各種領(lǐng)域，但是熱分析原理較為抽象。綜合熱分析儀實驗教學(xué)涵蓋了熱分析理論講解、實驗操作及注意事項、實驗結(jié)果分析，初步探討了綜合熱分析儀實驗教學(xué)方法，并將熱分析理論應(yīng)用于具體實例，不僅鍛煉了學(xué)生的動手操作能力，還讓學(xué)生學(xué)會了如何應(yīng)用熱分析理論分析實驗結(jié)果。通過綜合熱分析儀實驗教學(xué)將熱分析理論應(yīng)用于實例，使理論不再抽象。

關(guān)鍵詞：綜合熱分析儀 熱分析原理 實驗 教學(xué)

中圖分類號：G642 文獻標(biāo)識碼：A 文章編號：1674-098X（2015）02（b）-0124-02

熱分析是表征材料的基本方法之一，多年以來一直廣泛應(yīng)用于科研和工業(yè)中。熱分析技術(shù)是在程序控制溫度下測量樣品的溫度、熱焓、質(zhì)量、尺寸、機械、聲學(xué)、電學(xué)及磁學(xué)性能等性質(zhì)隨溫度或時間變化的一組技術(shù)[1]，它在定性、定量表征材料的熱性能、物理性能、機械性能以及穩(wěn)定性等方面有著廣泛地應(yīng)用。熱分析技術(shù)已滲透到物理、化學(xué)、石油、地質(zhì)、建材、纖維、塑料、橡膠、有機、無機、食品、生物化學(xué)等各個領(lǐng)域[2]。

熱分析技術(shù)應(yīng)用特別廣泛，但是熱分析原理較為抽象，通過本實驗教學(xué)不僅可以讓學(xué)生將熱分析理論應(yīng)用于實踐，還可以了解綜合熱分析儀的操作技術(shù)，為以后科學(xué)研究工作服務(wù)。本實驗教學(xué)熱涵蓋了熱分析理論講解、實驗操作及注意事項、實驗結(jié)果分析，初步探討了綜合熱分析實驗教學(xué)方法[3]。

1 熱分析實驗教學(xué)

1.1 實驗?zāi)康?/p>

（1）通過講解讓學(xué)生了解熱分析實驗原理及應(yīng)用范圍。

（2）通過現(xiàn)場演示，讓學(xué)生了解綜合熱分析儀的實驗操作步驟及注意事項。

（3）通過舉例分析，讓學(xué)生學(xué)習(xí)數(shù)據(jù)處理及結(jié)果分析，如玻璃化轉(zhuǎn)變溫度、熔融溫度、熔點等的標(biāo)定、物質(zhì)分解反應(yīng)過程分析等。

1.2 設(shè)備及原理

熱分析方法有很多種，主要的熱分析方法有：差熱分析法（DTA）、差示掃描量熱法（DSC）、熱膨脹法、熱重量法（TG）、熱機械分析法（TMA）和動態(tài)熱機械分析法（DMA）。目前，國內(nèi)外已有多家企業(yè)將各種熱分析儀器聯(lián)用，將各種熱分析方法同步使用分析，相互補充，如DSC-TG與DMA–DEA同步熱分析儀。本實驗教學(xué)采用的是DSC（DTA）-TG連用的綜合熱分析儀。

該儀器是德國耐弛生產(chǎn)的，型號為STA449C（如圖1）。它是由測量單元、TA設(shè)備控制器、電源單元、水浴控制箱、真空泵、氣瓶、電腦、打印機組成?？沙檎婵眨瑴y量的溫度范圍為：RT-1650℃，升溫速率為5℃/min～40℃/min，可通反應(yīng)氣氛。

它的實驗原理是通過一次測量得到材料的重量和熱量隨溫度或時間的變化曲線，常用以測定物質(zhì)在熔融、相變、分解、化合、凝固、脫水、蒸發(fā)、升華等特定溫度下發(fā)生的熱量和質(zhì)量變化。用于研究材料的熔融、結(jié)晶、比熱、抗氧化誘導(dǎo)期、玻璃化轉(zhuǎn)變、吸附與解吸、成分分析等。

1.3 操作步驟

該步驟需要在現(xiàn)場進行操作演示。樣品為CaCO3，升溫速率為：10℃/min，溫度范圍為：RT-1000℃。

（1）打開儀器；打開電腦；打開水??；打開氬氣瓶，將流量調(diào)到0.05MPa左右，檢查氣體流量計的氣體流量，保護氣流量為20mL/min，吹掃氣為30ml/min。

（2）打開NETZSCH-TA4軟件，選擇STA449C on 18 TASC 414_4軟件打開，進入測量運行程序。

選File菜單中的Open打開10℃/min測試基線。

選擇Sample+Correction測量模式，輸入識別號、樣品名稱及重量，點Continue。

如果樣品需要抽真空，需增加以下步驟：先關(guān)閉STA449C上的排氣閥，以防在抽真空過程中將樣品抽走，然后按STA449C主機上的AutoCycle鍵，等指示燈有紅變綠時，打開吹掃氣“protective”和保護氣“Purge2”。

修改材料成分為CaCO3，點Continue。

選擇或進入溫度控制編程程序（即基線的升溫程序），修改樣品的最終溫度為1000℃。應(yīng)注意的是：樣品測試的起始溫度及各升降溫、恒溫程序段完全相同，但最終結(jié)束溫度可以等于或低于基線的結(jié)束溫度（即只能改變程序最終溫度）。點Continue。

保存文件到2014文件夾的教學(xué)文件夾里，并設(shè)定名稱。

從“診斷”里調(diào)出“爐體溫度”和“信號溫度”，點擊“Start”儀器開始測量，直到完成。

1.4 注意事項

（1）實驗室應(yīng)盡量遠離振動源及大的用電設(shè)備；實驗桌應(yīng)盡量穩(wěn)定避震；實驗室也應(yīng)避免較多的人員流動。

（2）恒溫水浴的水溫調(diào)整為比室溫高出2～3℃，以保持天平室的穩(wěn)定。

（3）保護氣可常開（使用小流量即可），有利于保持天平室的干燥。

（4）實驗完成后，必須等爐溫降到200℃以下后才能打開設(shè)備爐體。

操作過程講解完畢后，讓學(xué)生進行操作練習(xí)，可選擇CaCO3樣品或?qū)W生自帶的樣品測試。

1.5 結(jié)果分析

以CaCO3熱分析實驗結(jié)果為例，讓學(xué)生了解DTA（DSC）和TG曲線，并學(xué)會如何標(biāo)定相變起始點、峰值點、結(jié)束點及對應(yīng)的TG失重及增重量等；學(xué)會如何分析實驗結(jié)果。

圖2是CaCO3熱分析實驗結(jié)果。結(jié)果表明：CaCO3在氬氣氣氛保護下，分解溫度Tpeak為815.3℃，失重量為44.314%。CaCO3在分解過程中產(chǎn)生CO2，理論的失重量應(yīng)為44.000%，實驗值和理論值僅相差0.314%，證明了CaCO3分解反應(yīng)過程（式1）。

CaCO3CaCO2↑ 式1

可以借鑒以前的測試結(jié)果或?qū)W生帶來的實驗結(jié)果進行講解，讓學(xué)生了解熱分析方法在其他領(lǐng)域的應(yīng)用。如：用微晶玻璃樣品測試結(jié)果，分析材料的玻璃化轉(zhuǎn)變、晶化、核化溫度；用不銹鋼的測試結(jié)果，分析材料的固-液相溫度；用醫(yī)療垃圾的熱分析結(jié)果，分析材料的氣化步驟及反應(yīng)；用微晶玻璃樣品測試結(jié)果，分析材料的玻璃化轉(zhuǎn)變、晶化、核化溫度；用不銹鋼的測試結(jié)果，分析材料的固-液相溫度；用醫(yī)療垃圾的熱分析結(jié)果，分析材料的氣化步驟及反應(yīng)；用金屬材料的測試結(jié)果，標(biāo)定材料的熔點；用鹽酸鹽的不同速率的測試結(jié)果，了解材料的動力學(xué)性能等。

2 實驗教學(xué)效果

綜合熱分析儀實驗教學(xué)涉及熱分析理論、綜合熱分析儀的實踐操作及各種材料的結(jié)果分析，將熱分析理論應(yīng)用于實例，使理論不再抽象，不僅培養(yǎng)了學(xué)生的動手能力，還為以后學(xué)生的科學(xué)研究提供一種測試手段。

參考文獻

[1] 周平華，許乾慰.熱分析在高分子材料中的應(yīng)用[J].上海塑料，2004（1）：36-40.

[2] 黃張洪，趙惠，呂利強，等.熱分析技術(shù)及其應(yīng)用[J].熱加工工藝，2010（7）：19-26.

[3] 劉翠紅，陳秉巖，王建永.基于學(xué)生實踐和創(chuàng)新能力培養(yǎng)的實驗教學(xué)改革[J].科技創(chuàng)新導(dǎo)報，2011（1）：151-152.