綜合熱分析儀實(shí)驗(yàn)教學(xué)初探

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(shí)驗(yàn)教學(xué)涵蓋了熱分析理論講解、實(shí)驗(yàn)操作及注意事項(xiàng)、實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析，初步探討了綜合熱分析儀實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法，并將熱分析理論應(yīng)用于具體實(shí)例，不僅鍛煉了學(xué)生的動(dòng)手操作能力，還讓學(xué)生學(xué)會(huì)了如何應(yīng)用熱分析理論分析實(shí)驗(yàn)結(jié)果。通過(guò)綜合熱分析儀實(shí)驗(yàn)教學(xué)將熱分析理論應(yīng)用于實(shí)例，使理論不再抽象。

關(guān)鍵詞：綜合熱分析儀 熱分析原理 實(shí)驗(yàn) 教學(xué)

中圖分類號(hào)：G642 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：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(lái)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(cè)量樣品的溫度、熱焓、質(zhì)量、尺寸、機(jī)械、聲學(xué)、電學(xué)及磁學(xué)性能等性質(zhì)隨溫度或時(shí)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(jī)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(jī)、無(wú)機(jī)、食品、生物化學(xué)等各個(gè)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(guò)本實(shí)驗(yàn)教學(xué)不僅可以讓學(xué)生將熱分析理論應(yīng)用于實(shí)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(shí)驗(yàn)教學(xué)熱涵蓋了熱分析理論講解、實(shí)驗(yàn)操作及注意事項(xiàng)、實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析，初步探討了綜合熱分析實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法[3]。

1 熱分析實(shí)驗(yàn)教學(xué)

1.1 實(shí)驗(yàn)?zāi)康?/p>

（1）通過(guò)講解讓學(xué)生了解熱分析實(shí)驗(yàn)原理及應(yīng)用范圍。

（2）通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)演示，讓學(xué)生了解綜合熱分析儀的實(shí)驗(yàn)操作步驟及注意事項(xiàng)。

（3）通過(guò)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(diǎn)等的標(biāo)定、物質(zhì)分解反應(yīng)過(guò)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(jī)械分析法（TMA）和動(dòng)態(tài)熱機(jī)械分析法（DMA）。目前，國(guó)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(bǔ)充，如DSC-TG與DMA–DEA同步熱分析儀。本實(shí)驗(yàn)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(guó)耐弛生產(chǎn)的，型號(hào)為STA449C（如圖1）。它是由測(cè)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(jī)組成?？沙檎婵?，測(cè)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(shí)驗(yàn)原理是通過(guò)一次測(cè)量得到材料的重量和熱量隨溫度或時(shí)間的變化曲線，常用以測(cè)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(chǎng)進(jìn)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(kāi)儀器；打開(kāi)電腦；打開(kāi)水浴；打開(kāi)氬氣瓶，將流量調(diào)到0.05MPa左右，檢查氣體流量計(jì)的氣體流量，保護(hù)氣流量為20mL/min，吹掃氣為30ml/min。

（2）打開(kāi)NETZSCH-TA4軟件，選擇STA449C on 18 TASC 414_4軟件打開(kāi)，進(jìn)入測(cè)量運(yùn)行程序。

選File菜單中的Open打開(kāi)10℃/min測(cè)試基線。

選擇Sample+Correction測(cè)量模式，輸入識(shí)別號(hào)、樣品名稱及重量，點(diǎn)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(guò)程中將樣品抽走，然后按STA449C主機(jī)上的AutoCycle鍵，等指示燈有紅變綠時(shí)，打開(kāi)吹掃氣“protective”和保護(hù)氣“Purge2”。

修改材料成分為CaCO3，點(diǎn)Continue。

選擇或進(jìn)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(cè)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(diǎn)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(hào)溫度”，點(diǎn)擊“Start”儀器開(kāi)始測(cè)量，直到完成。

1.4 注意事項(xiàng)

（1）實(shí)驗(yàn)室應(yīng)盡量遠(yuǎn)離振動(dòng)源及大的用電設(shè)備；實(shí)驗(yàn)桌應(yīng)盡量穩(wěn)定避震；實(shí)驗(yàn)室也應(yīng)避免較多的人員流動(dòng)。

（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(hù)氣可常開(kāi)（使用小流量即可），有利于保持天平室的干燥。

（4）實(shí)驗(yàn)完成后，必須等爐溫降到200℃以下后才能打開(kāi)設(shè)備爐體。

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

1.5 結(jié)果分析

以CaCO3熱分析實(shí)驗(yàn)結(jié)果為例，讓學(xué)生了解DTA（DSC）和TG曲線，并學(xué)會(huì)如何標(biāo)定相變起始點(diǎn)、峰值點(diǎn)、結(jié)束點(diǎn)及對(duì)應(yīng)的TG失重及增重量等；學(xué)會(huì)如何分析實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

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

CaCO3CaCO2↑ 式1

可以借鑒以前的測(cè)試結(jié)果或?qū)W生帶來(lái)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)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(cè)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(cè)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(cè)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(cè)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(cè)試結(jié)果，標(biāo)定材料的熔點(diǎn)；用鹽酸鹽的不同速率的測(cè)試結(jié)果，了解材料的動(dòng)力學(xué)性能等。

2 實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果

綜合熱分析儀實(shí)驗(yàn)教學(xué)涉及熱分析理論、綜合熱分析儀的實(shí)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(shí)例，使理論不再抽象，不僅培養(yǎng)了學(xué)生的動(dòng)手能力，還為以后學(xué)生的科學(xué)研究提供一種測(cè)試手段。

參考文獻(xiàn)

[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(qiáng)，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(shí)踐和創(chuàng)新能力培養(yǎng)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革[J].科技創(chuàng)新導(dǎo)報(bào)，2011（1）：151-152.