热重分析TG.ppt

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1、第六章第六章 热重分析热重分析 (TGA)6.2 TG6.2 TG基本原理基本原理6.3 TG6.3 TG实验技术实验技术6.4 TG6.4 TG在聚合物材料中的应用在聚合物材料中的应用6.1 6.1 热分析简介热分析简介6.1 6.1 热分析简介热分析简介现现代代热热分分析析技技术术指指在在程程序序控控温温下下，测测量量物物质质的的物物理理性质随温度变化的一类技术。性质随温度变化的一类技术。通通过过检检测测样样品品本本身身的的热热物物理理性性质质随随温温度度或或时时间间的的变变化化，来来研研究究物物质质的的分分子子结结构构、聚聚集集态态结结构构、分分子子运运动动的的变变化化等。等。热物理性质

2、变化：热物理性质变化：温度和热焓的变化温度和热焓的变化质量的变化质量的变化尺寸的变化尺寸的变化力学特性的变化力学特性的变化电磁学变化电磁学变化从事材料工作必备的几种热分析仪器：从事材料工作必备的几种热分析仪器：差示扫描量热仪（差示扫描量热仪（DSC)差热分析仪差热分析仪（DTA）热重分析仪热重分析仪 （TGA）热机械分析仪热机械分析仪（DMA）用用于于测测量量物物质质的的静静态态转转变变、熔熔融融、脱脱水水、升升华华、吸吸附附、解解吸吸、玻玻璃璃化化转转变变、液液晶晶转转变变、燃燃烧烧、固固化化、模模量量、阻阻尼尼、热热化化学学常常数数、纯纯度度、分分解解等等性性质质的的转转变与反应。变与反应

3、。6.2 TG6.2 TG基本原理基本原理热重法又称热失重法（热重法又称热失重法（Thermogravimetry,TG)Thermogravimetry,TG)热重分析通常可分为两类：动态热重分析通常可分为两类：动态(升温升温)和静态和静态(恒温恒温)。在程序控温下，测量在程序控温下，测量物质的质量物质的质量随随温度温度（或时间）的变化（或时间）的变化关系。对于材料的热稳定性、组成以及热反应变化进行有关系。对于材料的热稳定性、组成以及热反应变化进行有效表征。效表征。加加热热器器微量热微量热天平天平铂金样铂金样品盘品盘谱图表示方法：谱图表示方法：样品的重量或重量分数随温度或时间的变化曲线样品的

4、重量或重量分数随温度或时间的变化曲线 曲线陡降处为样品曲线陡降处为样品失重区失重区，平台区为样品的，平台区为样品的热稳定区。热稳定区。梯度曲线梯度曲线曲线的纵坐标为质量曲线的纵坐标为质量mg 或剩余百分数或剩余百分数%表示；表示；横坐标横坐标T为温度。用热为温度。用热力学温度（力学温度（K）或摄氏或摄氏温度（温度（）。）。6.3 TG6.3 TG实验技术实验技术试样量：试样量：5-10mg5-10mg试样皿：铝、三氧化二铝或铂金试样皿：铝、三氧化二铝或铂金1.1.试样量和试样皿试样量和试样皿注意事项：注意事项：对于膨胀型的材料适量减少试样量；对于膨胀型的材料适量减少试样量；试样量过多，传质阻力

5、大，使试样温度偏离线性程试样量过多，传质阻力大，使试样温度偏离线性程序升温，序升温，TGTG曲线发生变化；曲线发生变化；试样粒度越小越好，尽可能平铺；试样粒度越小越好，尽可能平铺；600600采用铝皿，采用铝皿，600600采用三氧化二铝皿；采用三氧化二铝皿；碱性样品不能采用铝皿。碱性样品不能采用铝皿。2.2.升温速率升温速率1-20/min1-20/min常用：常用：10-20/min10-20/min注意事项：注意事项：升温速度越快，温度滞后越严重；升温速度越快，温度滞后越严重；升温速度快，使曲线的分辨力下降，会丢失某些中间产升温速度快，使曲线的分辨力下降，会丢失某些中间产物的信息，如对含

6、水化合物慢升温可以检出分步失水的物的信息，如对含水化合物慢升温可以检出分步失水的一些中间物；一些中间物；同系列样品比较，在没有特殊要求下最好采用相同升温同系列样品比较，在没有特殊要求下最好采用相同升温速率。速率。3.3.气氛的影响气氛的影响氮气、空气。氮气、空气。流速：流速：40-100 mL/min40-100 mL/min，利于传热、逸出气体。，利于传热、逸出气体。注意事项：注意事项：热天平周围气氛的改变对热天平周围气氛的改变对TGTG曲线影响显著。曲线影响显著。4.TG4.TG失重曲线的处理和计算失重曲线的处理和计算起始分解温度起始分解温度外延起始温度外延起始温度外延终止温度外延终止温度

7、终止温度终止温度TGTG-5%-5%TGTG-50%-50%TGTG-10%-10%5.5.微商曲线微商曲线(DTG)(DTG)表示和意义表示和意义重重量量的的变变化化率率与与温温度度或或时时间间的的函函数数关关系系，是是TGTG曲曲线线对对温温度度或或时时间间的的一一阶阶导导数数。DTGDTG曲曲线线是是一一个个热热失失重重速速率率的的峰形曲线。峰形曲线。精精确确反反映映样样品品的的起起始始反反应应温温度度，达达到到最最大大反反应应速速率率的的温温度度（峰峰值值），反应终止温度。反应终止温度。利利用用DTGDTG的的峰峰面面积积与与样样品品对对应应的的重重量量变变化化成成正正比比，可可精精确

8、确的的进进行行定定量量分析。分析。1.1.聚合物热稳定性的评价聚合物热稳定性的评价2.2.聚合物组成的剖析聚合物组成的剖析3.3.研究聚合物固化研究聚合物固化4.4.研究聚合物中添加剂的作用研究聚合物中添加剂的作用6.4 TG6.4 TG在聚合物材料中的应用在聚合物材料中的应用5.5.研究聚合物的降解反应动力学研究聚合物的降解反应动力学1.1.聚合物热稳定性的评价聚合物热稳定性的评价几种高分子材料的几种高分子材料的TGTG曲线曲线比较起始失重温度比较起始失重温度6.4 TG6.4 TG在聚合物材料中的应用在聚合物材料中的应用热稳定性热稳定性TGTG曲线比较示意图曲线比较示意图比较失重速率比较失

9、重速率c cb ba a2.2.聚合物组成的剖析聚合物组成的剖析添加剂的分析添加剂的分析水水 2%2%树脂树脂 80%80%玻璃玻璃 18%18%TGTG法确定玻璃钢法确定玻璃钢材料中玻璃纤维材料中玻璃纤维成分的含量成分的含量6.4 TG6.4 TG在聚合物材料中的应用在聚合物材料中的应用聚四氟乙烯中炭黑和聚四氟乙烯中炭黑和SiOSiO2 2的含量确定的含量确定PTFE PTFE 31.5%31.5%炭黑炭黑 18.0%18.0%SiOSiO2 2 50.5%50.5%乙丙橡胶中炭黑和油的含量乙丙橡胶中炭黑和油的含量共聚物的分析共聚物的分析苯乙烯苯乙烯-甲基苯乙烯共聚物的热稳定性甲基苯乙烯共聚

10、物的热稳定性a a-聚苯乙烯聚苯乙烯b b-苯乙烯苯乙烯-甲基苯乙烯无甲基苯乙烯无规共聚物规共聚物c c-苯乙烯苯乙烯-甲基苯乙烯嵌甲基苯乙烯嵌段共聚物段共聚物d d-聚聚-甲基苯乙烯甲基苯乙烯乙烯乙烯-乙酸乙烯酯共聚体中组分含量的测定乙酸乙烯酯共聚体中组分含量的测定乙酸乙酸共混物的分析共混物的分析各组分的失重温度没有太大变化，各组分的失重温度没有太大变化，各组分失重量各组分失重量=各组分纯物质的失重各组分纯物质的失重百分含量叠加的结果百分含量叠加的结果6.4 TG6.4 TG在聚合物材料中的应用在聚合物材料中的应用3.3.研究聚合物固化研究聚合物固化静态热重分析，适用于静态热重分析，适用于固

11、化过程中固化过程中失去低分子失去低分子物物的缩聚反应。的缩聚反应。利用酚醛树脂固化过程中利用酚醛树脂固化过程中生成水，测定脱水失重量生成水，测定脱水失重量最多的固化温度，其固化最多的固化温度，其固化程度最佳。程度最佳。4.4.研究聚合物中添加剂的作用研究聚合物中添加剂的作用增塑剂增塑剂 聚合物中常用的添加聚合物中常用的添加增塑剂增塑剂，其用量和品种不同，对材料作，其用量和品种不同，对材料作用效果不同。用效果不同。6.4 TG6.4 TG在聚合物材料中的应用在聚合物材料中的应用发泡剂发泡剂 发泡剂发泡剂的性能和用量直接影响泡沫材料的性能和制造工艺条的性能和用量直接影响泡沫材料的性能和制造工艺条件

12、。件。可获得适宜的成型温度条件，即发泡剂开始分解的温度。可获得适宜的成型温度条件，即发泡剂开始分解的温度。无机阻燃无机阻燃剂剂 阻燃剂阻燃剂在聚合物中有特殊效果，阻燃剂的种类和用量选择适在聚合物中有特殊效果，阻燃剂的种类和用量选择适当，可大大改善聚合物材料的阻燃性能。当，可大大改善聚合物材料的阻燃性能。5.5.研究聚合物的降解反应动力学研究聚合物的降解反应动力学6.4 TG6.4 TG在聚合物材料中的应用在聚合物材料中的应用 降解反应动力学是研究材料降解的速度随时间、温度的变化降解反应动力学是研究材料降解的速度随时间、温度的变化关系，最终求出关系，最终求出活化能活化能、反应级数反应级数并对该反

13、应机理进行解释。并对该反应机理进行解释。活化能活化能是材料发生分解所需的临界能量，活化能越高，材料是材料发生分解所需的临界能量，活化能越高，材料的热稳定性越好。的热稳定性越好。材料的热分解动力学公式：材料的热分解动力学公式：失重率失重率活化能活化能反应级数反应级数气体常数气体常数升温速率升温速率指前因子指前因子以截距对以截距对ln(1-ln(1-)作图，可求出反应级数作图，可求出反应级数n n和指前因子和指前因子A A在多个升温速率下，给定失重率，以在多个升温速率下，给定失重率，以 作图，斜率为活化能作图，斜率为活化能E E，截距为，截距为在多个升温速率下，给定失重率，以在多个升温速率下，给定失重率，以 作图，斜率为活化能作图，斜率为活化能E E，截距为，截距为