热分析是指在程序控制(和一定气氛)下,测量物质的某一物理性质与温度或时间关系的一种技术。利用热分析技术能测定物质的许多特性参数,如热导率、热扩速率、线膨胀系数和比热容等。热分析技术在20世纪才开始正式应用于化学领域,最初常应用在无机物领域,随着科学的发展逐渐应用于有机化合物、络合物和高分子领域中,现今已经发展成为一个研究高分子结构与性能关系的主要工具。随着电子技术的不断发展,使热分析仪器的灵敏度、分辨率、重复性及自动数据处理装置得到了极大的改善,操作趋于简明化,从而推动了热分析技术向更深一层发展,且已广泛应用于无机、有机、高分子化合物、土壤、冶金和地质、轻工、生物和医学、空间技术等领域[1,2,3,4]。本文主要对热分析的基本原理、在各种材料方面的应用及其发展趋势等方面进行了阐述。

1热分析法简介

热分析法(TA)指的是一种在程序控制温度条件下,精确记录试样的物理性质随温度变化的函数关系的技术。在变温的过程中,物质的物理性质发生改变,其中物理性质包括温度、热量、质量、尺寸等。热分析方法的种类较多,目前国内外常用的热分析法有热重法(TG)、差热分析法(DTA)、差式扫描量热法(DSC)、热机械分析法(TMA、DMA)等,而最常用的是DTA、DSC和TG三种方法[5]。

1.1差热分析法

差热分析法在程序控温和一定气氛下,测量试样和参比物温度差与温度或时间关系的技术[6],在DTA曲线中曲线向上表示放热效应,向下表示吸热效应,从该曲线中可得到有关热力学和动力学方面的信息。其特点是不能表征变化的性质,本质上仍是一种动态量热,测得的结果不同于热力学平衡条件下的测量结果。在热差分析中,试样与程序温度之间的温度差比其他热分析方法更显著和重要。此法已广泛应用于建材、冶金、化工、地质、石油,也应用于测定试样在热反应时的特殊温度及放出或吸收的热量。

1.2差示扫描量热法

差示扫描量热法指在程序控温和一定气氛下,测量输给试样和参比物的热流速率或加热功率(差)与温度或时间关系的技术。在DSC曲线中,以试样与参比物的功率差dH/dt为纵坐标,试样与参比物的功率差dH/dt亦可称作热流率,单位为mJ/s,以时间或温度为横坐标。DTA和DSC仪器装置相似,DSC是为了克服DTA的缺点发展而来的,主要区别在于差示扫描量热法是测定热流率,而差热分析是测定待测试样和参比物两者间的温度差。其特点是使用温度范围广,分辨能力高,灵敏度高此技术常应用于食品工业、高分子、液晶、医药及生物等领域的研究中。

1.3热重法

热重法是在程序控温和一定气氛下,测量试样的质量变化与温度(T)或时间(t)关系的技术。热重曲线是以试样质量为纵坐标,温度或时间为横坐标。记录热重曲线对温度或时间的导数可得到表示失重速率的微商热重曲线。其特点是采样量少,操作简单快速,精密度高。常有助于用来研究晶体性质的物理变化和物质的解离、脱水、氧化、还原等化学现象,也常用来鉴别耐火原料中矿物及其含量。

1.4热机械分析

热机械分析有静态热机械分析和动态热机械分析两种方法。静态热机械分析是指在程序控制温度非振动负载下测量试样形变与温度之间关系的技术,试样处在程序控温条件下,施加某种形式的载荷,随着温度的升高不断测量试样的变形,以变形对温度作图即可得到温度形变曲线。虽然其涉及的材料对象非常广泛,包括金属、陶瓷、无机、有机等材料,用它来研究高分子材料的玻璃化温度、流动温度、相转变点、应力松弛等具有特殊意义。动态热机械分析是指在一定气氛交变应力和程序控制温度的作用下,测量物质在振动负荷下的动态力学性能与温度关系的技术。特点是测试样品量很小,可在很宽的温度或频率范围测定材料的动态力学性能,测得曲线为DMA曲线,此法是研究高分子结构变化-运动-性能三者间关系的重要方法,很适合于在动态载荷下工作的产品结构、配方设计。