熱分析實驗方案設計與曲線解析概論

第I部分 熱分析技術簡介 / 1
第1章 熱分析技術簡介 / 2
1.1 熱分析技術的定義及相關術語 / 2
1.1.1 定義 / 2
1.1.2 相關術語 / 3
1.2 熱分析技術的分類 / 3
1.3 常用熱分析儀器 / 5
1.4 熱分析技術的特點 / 7
1.4.1 熱分析技術的優(yōu)勢 / 8
1.4.2 熱分析技術的局限性 / 10
1.5 熱分析曲線的影響因素 / 12
1.5.1 儀器因素 / 12
1.5.2 操作條件因素 / 12
1.5.3 人為因素 / 17
1.5.4 實驗室工作環(huán)境因素 / 18
1.5.5 其他影響因素 / 18
1.6 熱分析技術的應用領域 / 19
1.7 熱分析實驗方案設計簡介 / 21
1.8 熱分析曲線解析的基本原則 / 22
1.9 熱分析曲線解析步驟簡介 / 22
1.9.1 數(shù)據(jù)處理 / 22
1.9.2 標注曲線的特征變化 / 23
1.9.3 熱分析曲線的描述 / 24
1.9.4 熱分析曲線的分析 / 24
1.9.5 熱分析曲線的規(guī)范報道 / 25
參考文獻 / 25

第II部分 熱分析實驗方案設計 / 29
第2章 熱分析實驗方法的選擇 / 30
2.1 實驗方法選擇的基本原則 / 30
2.1.1 發(fā)生較明顯質(zhì)量變化過程的實驗方法選擇 / 30
2.1.2 發(fā)生較少質(zhì)量變化過程的實驗方法選擇 / 31
2.2 在研究相轉變時的熱分析實驗方法選擇 / 32
2.2.1 相變簡介 / 33
2.2.2 可用于相變研究的常用熱分析技術 / 36
2.3 研究熱分解時的熱分析實驗方法選擇 / 39
2.4 特征物理參數(shù)的測量 / 42
2.5 在確定樣品的熱處理條件時的實驗方法選擇 / 43
2.6 特殊環(huán)境下的實驗方法選擇 / 45
參考文獻 / 46

第3章 熱分析實驗條件設計 / 47
3.1 確定實驗條件的基本原則 / 47
3.1.1 試樣量/試樣形狀的選擇 / 47
3.1.2 實驗氣氛的選擇 / 48
3.1.3 溫度控制程序的選擇 / 49
3.1.4 實驗容器或支持器的選擇 / 51
3.1.5 其他實驗條件的選擇 / 53
3.1.6 控制環(huán)境下的實驗條件的選擇 / 53
3.1.7 數(shù)據(jù)采集頻率的設置 / 53
3.2 熱重法的實驗條件選擇 / 54
3.2.1 制樣 / 54
3.2.2 實驗氣氛 / 55
3.2.3 溫度程序 / 55
3.2.4 坩堝 / 58
3.3 差示掃描量熱法的實驗條件選擇 / 59
3.3.1 制樣 / 60
3.3.2 實驗氣氛 / 60
3.3.3 溫度程序 / 60
3.3.4 坩堝 / 62
3.4 同步熱分析法的實驗條件選擇 / 63
3.5 熱機械分析法的實驗條件選擇 / 64
3.5.1 制樣 / 65
3.5.2 實驗氣氛 / 65
3.5.3 溫度程序 / 65
3.5.4 支持器類型 / 66
3.5.5 實驗模式 / 67
3.6 熱分析聯(lián)用技術的實驗條件設定 / 67
3.6.1 熱分析/質(zhì)譜聯(lián)用技術的實驗條件設定 / 68
3.6.2 熱分析/紅外光譜聯(lián)用技術的實驗條件設定 / 70
參考文獻 / 72

第4章 典型的實驗方案設計應用實例 / 74
4.1 利用熱分析法確定物質(zhì)的熱穩(wěn)定性的實驗方案設計 / 74
4.1.1 確定化學品的熱穩(wěn)定性和含水量 / 74
4.1.2 確定復合材料在不同條件下的熱穩(wěn)定性 / 75
4.1.3 利用熱分析法研究藥物的熱穩(wěn)定性 / 76
4.2 利用熱分析法確定物質(zhì)組成的實驗方案設計 / 76
4.2.1 利用熱分析法確定超導化合物中氧含量 / 77
4.2.2 利用熱分析法確定催化劑的組成 / 78
4.2.3 利用熱分析法確定復合材料的組成 / 78
4.2.4 利用熱分析法確定聚合物的組成 / 80
4.3 利用熱分析法確定熱分解機理的實驗方案設計 / 80
4.3.1 利用熱分析法確定簡單體系的熱分解機理 / 81
4.3.2 利用熱分析法確定復雜體系的熱分解機理 / 81
4.4 利用熱分析法研究物質(zhì)的相變的實驗方案設計 / 84
4.4.1 利用熱分析法研究物質(zhì)的熔融過程 / 84
4.4.2 利用熱分析法研究物質(zhì)的固相相變 / 86
4.5 利用熱分析法測量物質(zhì)的玻璃化轉變的實驗方案設計 / 88
4.5.1 利用DSC或DTA法測量物質(zhì)的玻璃化轉變 / 88
4.5.2 利用TMA或DIL法測量物質(zhì)的玻璃化轉變 / 89
4.5.3 利用DMA法測量物質(zhì)的玻璃化轉變 / 90
4.5.4 利用介電熱分析法測量物質(zhì)的玻璃化轉變 / 91
參考文獻 / 92

第III部分 熱分析曲線解析 / 95
第5章 熱分析曲線解析的原則 / 96
5.1 熱分析曲線解析的科學性 / 96
5.1.1 根據(jù)不同的熱分析技術確定可能解決的科學問題 / 96
5.1.2 結合樣品結構信息解析曲線中的特征信息 / 98
5.1.3 科學解釋曲線中的微弱變化信息 / 99
5.2 熱分析曲線解析的規(guī)范性 / 101
5.2.1 熱分析曲線作圖的規(guī)范性 / 101
5.2.2 規(guī)范確定熱分析曲線中的特征物理量 / 104
5.2.3 規(guī)范描述熱分析曲線所對應的實驗條件以及所得到的信息 / 108
5.3 熱分析曲線解析的準確性 / 108
5.3.1 熱分析曲線所對應的數(shù)據(jù)的準確性 / 109
5.3.2 結合樣品信息準確解析熱分析曲線 / 112
5.3.3 結合實驗方法自身特點準確解析熱分析曲線 / 114
5.3.4 結合實驗條件準確解析熱分析曲線 / 115
5.4 熱分析曲線解析的合理性 / 116
5.4.1 正確看待實驗過程中儀器自身對曲線的影響 / 116
5.4.2 結合樣品的實際信息對曲線進行合理的解析 / 121
5.4.3 結合實驗條件對曲線進行合理的解析 / 123
5.5 熱分析曲線解析的全面性 / 124
5.5.1 結合熱分析聯(lián)用技術盡可能全面地解析熱分析曲線 / 124
5.5.2 結合其他分析手段盡可能全面地解析熱分析曲線 / 138
參考文獻 / 145

第6章 熱分析曲線的解析過程 / 147
6.1 概述 / 147
6.2 熱分析曲線的獲取 / 147
6.2.1 與熱重實驗相關的信息 / 147
6.2.2 與差示掃描量熱實驗相關的信息 / 150
6.2.3 與熱重-差示掃描量熱實驗和熱重-差熱分析實驗相關的信息 / 151
6.2.4 與熱膨脹實驗相關的信息 / 151
6.2.5 與靜態(tài)熱機械分析實驗相關的信息 / 151
6.2.6 與動態(tài)熱機械分析實驗相關的信息 / 152
6.2.7 與熱分析聯(lián)用實驗相關的信息 / 154
6.3 實驗數(shù)據(jù)的導入與基本分析 / 154
6.3.1 實驗數(shù)據(jù)的導入 / 154
6.3.2 實驗數(shù)據(jù)的作圖 / 154
6.3.3 曲線的簡單數(shù)學處理 / 156
6.3.4 曲線中特征變化的分析 / 159
6.3.5 軟件中多條曲線的對比與分析 / 161
6.3.6 數(shù)據(jù)的導出 / 161
6.4 在作圖軟件中對熱分析曲線的作圖和進一步分析 / 162
6.4.1 在Origin軟件中導入實驗數(shù)據(jù) / 162
6.4.2 在Origin軟件中作圖 / 165
6.4.3 在Origin軟件中對曲線進行簡單的數(shù)學處理 / 167
6.4.4 在Origin軟件中對多條曲線進行對比 / 168
6.5 熱分析曲線的描述 / 170
6.5.1 樣品信息的描述 / 170
6.5.2 實驗條件的描述 / 172
6.5.3 熱分析曲線的描述 / 173
6.6 熱分析曲線的初步解析 / 180
6.6.1 結合樣品信息解釋曲線中發(fā)生的變化 / 180
6.6.2 結合實驗條件信息解釋曲線中發(fā)生的變化 / 183
6.7 熱分析曲線的綜合解析 / 184
6.7.1 通過多種分析技術對熱分析曲線進行互補分析 / 184
6.7.2 通過多種分析技術對熱分析曲線進行驗證分析 / 189
6.7.3 通過外推方法對熱分析曲線進行分析 / 190
6.8 撰寫實驗報告或科研論文 / 193
6.9 必要時建立并完善熱分析曲線數(shù)據(jù)庫 / 194
參考文獻 / 194

第7章 典型的熱分析實驗曲線解析舉例 / 196
7.1 熱重曲線的解析實例 / 196
7.1.1 由熱重曲線確定樣品的組成 / 197
7.1.2 利用熱重曲線確定物質(zhì)的結構式 / 204
7.1.3 由熱重曲線確定分解機理 / 205
7.1.4 由熱重曲線確定熱穩(wěn)定性 / 212
7.1.5 特殊應用領域中的熱重曲線解析 / 217
7.2 差示掃描量熱曲線的解析實例 / 218
7.2.1 由DSC曲線確定物質(zhì)的狀態(tài)變化 / 219
7.2.2 由DSC曲線確定物質(zhì)的結晶度 / 227
7.2.3 由DSC曲線確定物質(zhì)的比熱容 / 229
7.2.4 由DSC曲線確定藥物和小分子有機物的純度 / 231
7.2.5 由DSC曲線確定物質(zhì)的熱導率 / 235
7.2.6 由DSC曲線確定物質(zhì)的相圖 / 237
7.2.7 由DSC曲線確定物質(zhì)的組成 / 239
7.2.8 由DSC曲線確定物質(zhì)的反應條件 / 241
7.2.9 由DSC曲線比較不同工藝下得到的材料的差異 / 242
7.3 同步熱分析曲線的解析實例 / 242
7.3.1 TG-DTA和TG-DSC曲線的基本解析 / 243
7.3.2 分析物質(zhì)的熱分解過程 / 244
7.3.3 由TG-DSC曲線確定添加組分對物質(zhì)熱分解過程的影響 / 245
7.3.4 確定材料的熱處理工藝時的曲線分析 / 246
7.4 熱膨脹曲線的解析實例 / 247
7.4.1 通過熱膨脹曲線研究材料的相變 / 249
7.4.2 通過熱膨脹曲線確定陶瓷材料的燒結條件 / 250
7.5 熱機械分析曲線的解析實例 / 252
7.5.1 不同操作模式下得到的TMA曲線 / 252
7.5.2 TMA曲線中特征量的確定 / 254
7.5.3 TMA曲線的應用實例 / 255
7.6 動態(tài)熱機械分析曲線的解析實例 / 255
7.6.1 由DMA曲線研究高聚物的玻璃化轉變 / 257
7.6.2 由DMA曲線研究熱固性材料的固化程度和測定凝膠點 / 260
7.6.3 由DMA曲線研究聚合物的相容性 / 261
7.6.4 由DMA曲線研究聚合物的阻尼性能 / 262
7.6.5 由DMA曲線測量高聚物的次級轉變及低溫性能研究 / 262
7.6.6 由DMA曲線測量高聚物的耐老化性能研究 / 264
7.7 由熱分析聯(lián)用技術所得曲線的解析實例 / 265
7.7.1 熱重/紅外光譜聯(lián)用曲線的解析 / 265
7.7.2 熱重/質(zhì)譜聯(lián)用曲線的解析 / 271
7.7.3 其他聯(lián)用技術得到的曲線的解析 / 276
參考文獻 / 277

第IV部分 與熱分析實驗方案設計和曲線解析相關的常見問題分析/ 279
第8章 與熱分析實驗方案設計相關的常見問題分析 / 280
8.1 與實驗方法選擇相關的常見問題分析 / 280
8.1.1 對實驗方法缺乏了解 / 280
8.1.2 實驗目的不清晰 / 287
8.2 與實驗條件選擇相關的常見問題分析 / 288
8.2.1 與樣品處理方法相關的問題 / 288
8.2.2 與溫度控制程序相關的問題 / 289
8.2.3 與實驗氣氛相關的問題 / 292
8.2.4 與其他實驗條件相關的問題 / 296
參考文獻 / 296

第9章 與熱分析曲線解析相關的常見問題分析 / 297
9.1 儀器狀態(tài)的判斷 / 297
9.1.1 曲線中出現(xiàn)與樣品和實驗條件無關的異常峰 / 298
9.1.2 曲線中出現(xiàn)與樣品和實驗條件無關的異常漂移 / 299
9.1.3 曲線中未出現(xiàn)與樣品和實驗條件有關的變化信息 / 300
9.2 基線的合理確定 / 300
9.2.1 熱分析中基線的定義及分類 / 300
9.2.2 曲線解析中與基線相關的主要問題 / 303
9.3 曲線的規(guī)范表示 / 306
9.3.1 熱分析曲線的規(guī)范表示方法 / 306
9.3.2 熱分析曲線的規(guī)范表示中的常見問題分析 / 307
9.4 曲線的合理描述 / 312
9.5 曲線中異常的波動現(xiàn)象 / 312
9.6 由于樣品自身熱效應而引起的曲線變形 / 314
9.7 平滑 / 317