实验九综合热分析--实验十热分析应用_图文

导读:实验九综合热分析,1、学习综合热分析的仪器装置及实验技术,2、掌握综合热分析的特点及分析方法,综合热分析是指几种单一的热分析法相互结合成多元的热分析法,也就是将各种单功能的热分析仪相互组合在一起变成多功能的综合热分析仪,如差热(DTA)-热重(TG)、差示扫描(DSC)-热重(TG)、差热(DTA),这种多功能综合热分析的特点是在完全相同的实验条件下,也就是在一次实验中可同时获得样品的各种热变

实验九综合热分析--实验十热分析应用_图文

实验九 综合热分析

一、目的要求

1、学习综合热分析的仪器装置及实验技术。

2、掌握综合热分析的特点及分析方法。

二、基本原理与方法

综合热分析是指几种单一的热分析法相互结合成多元的热分析法。也就是将各种单功能的热分析仪相互组合在一起变成多功能的综合热分析仪。如差热(DTA)-热重(TG)、差示扫描(DSC)-热重(TG)、差热(DTA)-热重(TG)-微商热重(DTG)、差热(DTA)-热机械分析(TMA)等等。这种多功能综合热分析的特点是在完全相同的实验条件下,也就是在一次实验中可同时获得样品的各种热变化信息。

因此,综合热分析具有极大的优越性而被广泛采用。在无机非金属材料中,综合热分析技术使用得最多的是DTA-TG。

由综合热分析的基本原理可知,综合热分析曲线就是各单功能热分析曲线测绘在同一张记录纸上。因此,综合热分析曲线上的每一单一曲线的分析与解释与单功能仪器所作曲线完全一样,各种单功能标准曲线都可作为综合热分析曲线的标准,分析解释时可作参考。另外,在解释综合热分析曲线时,下面一些基本规律值得注意:

(1)有吸热效应,伴有失重时,为脱水或分解过程,有放热效应伴有增重时,为氧化过程。

(2)有吸热效应,无质量变化时为多晶转变过程,有吸热并伴有胀缩时也可能是多晶转变过程。

(3)有放热效应,伴有收缩现象,表示有新物质形成。

例如图9-1示出了某种粘土的综合热分析曲线,它包括加热曲线、差热曲线、失重曲线和收缩曲线。根据DTA曲线可知,该粘土的主要峰形与高岭土相符,其矿物组成应以高岭土(Al2O3、2SiO2·2H2O)为主。DTA曲线上两个显著的吸热峰,第一个吸热峰从200℃以下开始发生至260℃达峰值,TG曲线上对应着这一过程的质量损失达3.7%,而收缩曲线表明这一过程体积变化不大,所以这一吸热峰对应的是高岭土失去层间吸附水的过程。第二吸热峰从540℃开始至640℃达峰值,这一过程对应质量损失10.31%,而体积收缩1.4%。DTA曲线上强烈的吸热效应相当于高岭土晶格中氢氧根脱出或结晶水排除,致使晶格破坏,偏高岭土(Al2O3·SiO2)中的Al2O3和SiO2转变成无定形。当温度升高至1000℃左右,无定形Al2O3结晶成γ- Al2O3和部分微晶莫来石,使DTA曲线上出现强烈的放热效应,此时质量无显著变化,体积却显著收缩,收缩率从3.19%变成8.67%。加热到1240℃,DTA曲线上又出现一放热峰,同时

体积从9.86%迅速收缩到14.4%,这显然又是一个结晶相的出现,据研究系非晶质SiO2与γ- Al2O3化合成莫来石3 Al2O3·2SiO2结晶所致。

图9-1 某粘土的综合热分析曲线

1-加热曲线;2-差热曲线;3-失重曲线;4-收缩曲线

图9-2所示出了以煤矸石、石灰为主要原料的煤矸石水泥水化产物的DTA-TG-DTG综合热曲线。图中DTA曲线上100~300℃间的多处微小吸热峰对应TG曲线略有倾斜,DTG曲线多处小峰起伏,表明水化产物中少量水化硫铝酸钙和水化铝酸钙脱水。DTA曲线上480℃处的吸热峰对应TG曲线上

2.417%的失重、DTG曲线明显向上的峰形表明水化物中Ca(OH)2的脱水失重明显,效应集中。DTA曲线上600℃以后有吸热效应至770℃有最明显的吸热,对应TG曲线有11.03%的质量损失,DTG曲线有宽而大的峰形,表明水化物中碳酸钙的分解及CSH凝胶的脱水,水化物中碳酸钙分解峰之大、失重之多表明该水化物已在空气中碳化。

三、实验方法

综合热分析的实验方法就是各种单功能热分析实验方法的综合,它包括仪器校正,试样准备,实验条件选择和样品测量等。

1、综合热分析仪的仪器校正

通常有基线校核、质量校核、温度校核和热量校核。

图9-2 煤矸石水泥水化产物的综合热谱

基线校核采用空白试验,即用空坩埚或参比物加热测量基线的漂移情况,当使用DTA-TG样品杆测试DTA-TG基线时,根据空白基线结果分析调整电炉定位螺丝和“斜率调整”旋钮,使TG基线漂移量小于2.5div/10mg,DTA漂移量小于25div/100μV。当使用DSC-TG样品杆测试DSC-TG基线时,同样根据基线的漂移情况调整“斜率”,使TG基线漂移量小于4div/10mg,DSC基线漂移量小于15div/50mg/s。

质量的准确度通常采用标准物质CaC2O4·H2O的分解失重来校核。

~200?cCaC2O4?H2O?100???→CaC2O4+H2O↑理论失重率12.331%

400~500?cCaC2O4????→CaCO3+CO↑ 理论失重率19.170%

600~800?cCaCO3????→CaO+CO2↑ 理论失重率31.119%

上述分解失重误差一般不应超过±5%。

温度校核通常采用In、SiO2和SrCO3等标准物质在适当的条件下测试DTA-TG曲线,将测试温度与标准温度比较得出温度测量的误差范围、一般温度测量误差不应超过±5℃。

热量校核通常采用苯甲酸、Zn等标准物质在适当条件下测试DSC-TG曲线,由DSC峰谷面积计算出热量与标准热量比较得出热量测量的误差范围,一般热量测量误差不应超过±5%。

2、综合热分析的试样准备与实验条件

试样准备及实验条件与单功能的热分析DTA、DSC及TG类似。试样宜过200~300目的筛,用量10mg左右。升温速度不宜太快,慢速升温能使相邻

峰谷分开,一般以5~10℃/min为宜。走纸速度快些可增加TG曲线的阶梯而提高分辨率。试样在加热过程中的氧化或还原会影响试样的质量变化,因而综合热分析宜用惰性气体。

3、综合热分析的样品测量

仪器校正和试样准备好后,就可开始样品测量。样品测量的方法和基本步骤,见差热分析。

四、实验内容和数据处理

1、试验室有各种含水矿物和其它矿物,选择其中一种,测试它的DAT-TG曲线或DSC-TG曲线,记录测试时的所有试验,如试样名称、颜色、参比物、气氛、量程、纸速、升温速度、满标温度、满标质量及室温、湿度等。

2、DTA-TG或DSC-TG曲线上的温度和失重百分率

综合热分析曲线上温度的标注可根据满标温度和升温曲线的对应关系来标注。具体标注方法参阅“差热分析”实验。

TG曲线上失重百分率的标注是根据TG曲线的位置与满标质量的关系来定的。例如记录纸100个小格,若满标10mg,则每小格0.1mg,根据TG位置离零线的距离知样品的初始质量W0和瞬时质量W,初始质量W0与瞬时质量W之差即为失重△W。失重量与初始质量之比即为失重百分率。

失重百分率=W0-W?100% W0

3、根据DSC-TG综合热分析曲线DSC峰谷的大小计算反应热量。峰谷面积的处理,与反应热量的对应关系及具体计算方法参阅“差示扫描量热分析”实验。

4、根据峰谷的性质和温度解释峰谷产生的原因,并根据失重百分率计算矿物的含量。

五、思考题

比较综合热分析DSC-TG或DTA-TG与单功能DTA、DSC、TG的优缺点。

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