内容简介
     《热分析简明教程》是中国科学院大学遴选的研究生教材。首先扼要介绍热分析的发展历程和热分析实施方案的制订。然后系统地介绍了热分析术语,并给出了新的理解和诠释;主要热分析仪器的原理与结构及其*新发展;影响热分析实验结果的各种因素和相关的标准与规范,这是从事热分析工作的基本依据。*后按观测物质的各种转变、反应和特性参数,介绍典型的应用实例。
  《热分析简明教程》可作为热分析及相关专业师生(研究生、大学生)的教学用书,也可作为热分析工作者和以热分析为测试手段的科技人员的参考书。     
内页插图
          目录
   前言
第1章 绪论
1.1 百年热分析
1.2 热分析的学会活动(近50年国内热分析的发展概况)
1.3 热分析的主要学术刊物与著作
1.4 热分析实施方案的制订
第2章 热分析术语
2.1 国家标准《热分析术语》制定与修订过程
2.2 热分析术语的演变
2.3 热分析的总定义
2.4 各种热分析方法及其定义
2.4.1 热分析方法的分类
2.4.2 热分析方法的定义与测得的曲线
2.5 热分析仪器及其相关术语
2.5.1 热重分析仪
2.5.2 差热分析仪
2.5.3 差示扫描量热仪
2.5.4 绝热量热仪
2.5.5 交流量热仪
2.5.6 热机械分析仪
2.5.7 热膨胀仪
2.5.8 动态热机械分析仪
2.6 与热分析实验有关的术语
2.6.1 热分析被测对象的名称
2.6.2 试样与参比物
2.6.3 坩埚
2.6.4 试样支持器
2.6.5 参比物支持器
2.6.6 试样参比物支持器组件
2.6.7 均温块
2.6.8 状态调节
2.6.9 校准
2.6.10 热分析实验数据的质量标志
2.7 热分析数据表达与应用涉及的术语
2.7.1 热分析曲线
2.7.2 热分析曲线、峰、吸放热效应及其各特征点
2.7.3 有关相的概念与定义
2.7.4 典型应用
2.7.5 热分析动力学
参考文献
第3章 热分析仪器的基本原理与结构
3.1 差示扫描量热仪(DSC)
3.1.1 引言
3.1.2 差热分析仪
3.1.3 热通量式差示扫描量热仪
3.1.4 功率补偿式差示扫描量热仪
3.1.5 典型的差示扫描量热法测量曲线
3.1.6  DSC仪器性能评价的重要参数
3.1.7 差示扫描量热仪的扩展
3.1.8 温度调制式差示扫描量热法
3.2 动态热机械分析仪
3.2.1 引言
3.2.2 动态热机械分析仪的结构设计
3.2.3 动态力学性能的测量
3.2.4 典型的DMA测量曲线
3.3 热机械分析仪
3.3.1 引言
3.3.2 热机械分析仪的结构
3.3.3 热机械分析仪的测量模式
3.3.4 典型的TMA测量曲线
3.4 热重分析仪
3.4.1 引言
3.4.2 热重分析仪的结构
3.4.3 热重分析仪的测量
3.4.4 典型的热重测量曲线
3.5 联用技术
3.5.1 引言
3.5.2 质谱分析法简介
3.5.3 红外光谱分析法简介
3.5.4 热重分析仪与气氛分析仪的连接
3.5.5 TGA/MS和TGA/FTIR联用仪应用举例
参考文献
第4章 热分析测量结果的影响因素
4.1 温度程序的影响
4.1.1 温度范围的选择
4.1.2 升温速率
4.2 试样量与粒度
4.3 试样容器
4.3.1 选择坩埚的原则
4.3.2 坩埚的种类
4.3.3 DSC坩埚的选择
4.3.4 TGA实验坩埚的选择
4.4 装样
4.4.1 DSC实验的装样要求
4.4.2 TMA实验的装样要求
4.5 样品的前处理
4.6 气氛的影响
4.6.1 热分析使用的气体种类
4.6.2 热分析实验使用气氛的基本原则
4.6.3 样品周围的气体交换
4.6.4 DSC测试中的吹扫气体
4.7 气体浮力的影响
参考文献
第5章 热分析实验方法的标准与规范
5.1 差示扫描量热法(仪)的标准与规范
5.1.1 差示扫描法量热法通则
5.1.2 玻璃化转变温度的DSC测定法
5.1.3 熔融和结晶温度与熔融和结晶热的DSC测定法
5.1.4 比热容的DSC测定法
5.1.5 特定反应曲线温度、时间、反应热与反应程度
5.1.6 氧化诱导期的DSC测定法
5.1.7 结晶动力学的DSC测量法
5.2 热重法的标准
5.2.1 热重法通则
5.2.2 动力学参数的TG测定法
5.3 热机械分析的标准
5.3.1 热机械分析通则
5.3.2 线膨胀系数和玻璃化转变温度的测定
5.3.3 针人温度的测定
5.4 动态力学性能的标准
参考文献
第6章 热分析应用示例
6.1 物质受热过程变化的物理一化学归属
6.2 物质受热过程发生的物理转变
6.2.1 玻璃化转变
6.2.2 结晶与熔融
6.2.3 多晶型
6.3 物质受热过程发生的化学变化
6.3.1 几种芳香四羧基酯化物铵盐的酰胺化与酰亚胺化
6.3.2 端乙炔基苯砜和端乙炔基苯酮的热聚合和热稳定性
6.3.3 热固性树脂固化反应的热分析表征
6.3.4 橡胶硫化反应的热分析测量
6.4 物质特性参数的热分析测定
6.4.1 化学物质的纯度测定
6.4.2 二元相图
6.5 成分分析
6.5.1 物质组成的热重分析
6.5.2 物质成分和裂解产物的联用技术分析
参考文献      
前言/序言
     热分析是仪器分析的重要分支,涵盖差示扫描量热法(DSC),动态热机械分析法(DMA),热重分析法(TGA),热机械分析法(TMA)以及热重法与质谱(MS)、傅里叶变换红外光谱(FT、IR)法的联用等多种技术,在聚合物材料、药物、食品、含能材料、矿物、金属、陶瓷等众多领域有极其广泛的应用,是分析和表征各类物质基本特性(包括物理转变、化学反应)的极其有用的手段。
  随着材料科学等的迅猛发展和热分析技术本身的快速进步,热分析仪器已获得越来越广泛的应用,当今几乎已成为常规分析仪器。许多高等院校的相关专业开设了热分析课程,很多热分析技术的应用人员也需要系统的基础知识。正是为了满足这方面的需求,我们编写了这本《热分析简明教程》。
  热分析应用的领域甚为广泛,术语的统一是交流的前提。因此,书中以新版国标《热分析术语》(GB/T6425-2008)为基础,介绍了热分析及其各种方法的定义以及热分析仪器、实验和数据表达的有关规定。对某些术语的定义,给出了新的理解和诠释。
  对各种主要热分析仪器(DSC、DMA、TMA、TGA及其联用)的介绍当然是重点之一。本书介绍了它们的基本原理和结构。对于近年来热分析技术的许多突破性进展,如温度调制式DSC(MTDSC)(特别是多频温度调制DSC)、超快速DSC等,以及与多种结构分析方法联用的技术,也给予了介绍。
  由于热分析实验通常是在动态条件(如等速升降温)下进行的,测得的一般是非热平衡值,因而会受到升降温速率以及气氛、样品状态等诸多因素的影响,在设计热分析实验时必须予以充分考虑。本书从实验出发,介绍了这方面的一些规律性认识和经验,并介绍了国际标准化组织(ISO)制订的一系列分析测试标准,作为热分析实验的基本依据。
  热分析技术应用极其广泛,在一本简明教程中详尽介绍是不可能的。本书从典型应用实例出发,观测物质在受热过程中发生的各类物理转变、化学反应及其特性参数,对种类纷繁的各类应用进行梳理,以起到示范作用。
  本书由中国科学院长春应用化学研究所刘振海与梅特勒一托利多(中国)公司陆立明和唐远旺合作编著完成。第1、第2和第5章由刘振海编写;第3和第6章由陆立明编写;第4章由唐远旺编写。    
				
 
				
				
					《热分析简明教程》图书简介  引言:探寻物质世界的温度密码  温度,是物质最基本、最普遍的属性之一,它如同空气般无处不在,又如同脉搏般指示着物质的生命状态。从宏观的星辰大海,到微观的原子分子,温度的变化无不蕴含着深刻的物理化学信息。而热分析,作为一门直接、高效地揭示物质在温度变化过程中物理化学性质变化的科学技术,为我们打开了一扇洞察物质奥秘的窗口。它不仅仅是一种实验手段,更是一种思维方式,引领我们从全新的视角去理解材料的构成、转化和性能。  本书《热分析简明教程》并非旨在详尽罗列所有的热分析技术及其繁复的原理,而是希望以一种清晰、直观、易于理解的方式,为读者构建起热分析学的基本框架。我们相信,掌握了核心概念和基本方法,读者便能触类旁通,在日后的学习与研究中,更快速、更有效地掌握和应用各种具体的热分析技术。本书的定位是“简明”,这意味着我们将聚焦于最核心、最基础的内容,力求在最短的时间内,帮助读者建立起对热分析学的整体认知,并为进一步深入学习打下坚实的基础。  第一章:热分析的基石——温度与能量的律动  任何科学的进步都离不开对基本概念的深刻理解。在热分析的世界里,温度和能量无疑是最核心的两个基石。本章将从最基础的层面,为你解析温度在物质世界中的意义,以及能量如何以热的形式传递和转化。     温度的本质:微观运动的宏观体现。 我们将从分子动理论的角度出发,解释温度是如何反映物质内部粒子运动剧烈程度的。我们将探讨不同温标(如摄氏温标、华氏温标、开尔文温标)的由来与转换,以及在热分析过程中,精确控制和测量温度的重要性。你将了解,温度并非一个独立的物理量,而是与物质的内能息息相关。    热量传递的三种基本方式:传导、对流与辐射。 任何热量的传递都必须遵循一定的物理规律。本章将对这三种最基本的热量传递方式进行详细的阐述。传导,是热量在固体介质中的传播,我们将探讨其微观机制,以及导热系数等重要参数。对流,是流体介质中的热量传递,我们将分析其驱动力(如密度差),并简要提及在某些热分析仪器中对流的潜在影响。辐射,是热量以电磁波形式的传播,我们将了解其普适性,并在后续章节中探讨其在某些热分析技术中的应用。    能量守恒与热力学第一定律:物质转化的基本约束。 物质的任何变化,无论是物理的还是化学的,都必须遵守能量守恒定律。本章将回顾热力学第一定律,并阐述它在热分析中的重要意义。我们将看到,在热分析过程中,所有的吸热与放热现象,本质上都是能量的重新分配与转化,但总能量是恒定不变的。理解这一点,有助于我们分析实验数据,避免出现逻辑上的误区。    焓变与熵变:驱动物质变化的内在动力。 除了能量守恒,物质的变化还受到驱动力的影响。本章将引入焓变(ΔH)和熵变(ΔS)的概念,它们是判断过程是否自发进行的关键参数。我们将解释焓变如何反映物质在相变或化学反应过程中吸收或释放的热量,而熵变则代表了系统混乱程度的变化。最后,我们将简要提及吉布斯自由能(ΔG = ΔH - TΔS),它综合了焓变和熵变,是判断过程自发性的最终判据。  第二章:走进热分析的世界——原理与分类  本章将为你揭开热分析的神秘面纱,让你对这个领域有一个初步的、全局的认识。我们将从热分析的基本原理出发,然后对现有的主要热分析技术进行分类和介绍,帮助你建立起对不同技术的初步印象。     热分析的核心理念:温度变化中的信号响应。 热分析的本质,是将物质置于受控的温度环境下,并监测其在温度变化过程中发生的物理量或化学量的变化。本章将深入阐述这一核心理念。我们将讨论“程序升温”的概念,即温度如何按照预设的规律(线性、等温、阶梯等)进行变化,以及这种程序控制对实验结果的重要性。    基本的热分析曲线:温度 vs. 信号。 无论何种热分析技术,其最终输出的都是一条“热分析曲线”。本章将介绍这条曲线的基本构成元素:横轴(通常为温度或时间)、纵轴(表示被监测的物理量或化学量),以及曲线上的峰、谷、平台等特征。我们将解释这些特征所代表的物理意义,例如,一个放热峰可能代表了化学反应,一个吸热谷可能代表了相变。    热分析技术的分类:基于响应量和变化过程。 为了更好地理解和掌握各种热分析技术,对其进行分类是必不可少的。本章将从两个主要维度对热分析技术进行分类:        按监测的物理量分类: 这是最常见的分类方式。我们将介绍:            热重分析 (TG/TGA): 监测物质在程序升温过程中的质量变化。            差示扫描量热法 (DSC): 监测物质与参比物在程序升温过程中的吸热或放热速率差。            热膨胀分析 (DTA): 监测物质在程序升温过程中的温度差。            热导分析 (TCD): 监测物质在程序升温过程中释放或吸收的气体量。            动态机械分析 (DMA): 监测物质在程序升温过程中机械性能的变化(如模量、阻尼)。            红外光谱-热分析联用 (TG-IR): 监测热重过程中释放气体的化学组成。            质谱-热分析联用 (TG-MS): 监测热重过程中释放气体的质荷比。        按变化过程分类: 这种分类方式更侧重于物质发生变化时的过程。例如,相变分析、分解分析、固化分析等。    热分析仪器的基本组成:样品、参比、加热炉、传感器、记录系统。 了解仪器的基本组成,有助于我们理解实验的原理和数据产生的过程。本章将简要介绍一个典型的热分析仪器的构成,包括样品位、参比位、加热炉(提供可控的温度程序)、传感器(用于测量信号)、以及数据记录和处理系统。  第三章:热重分析 (TG/TGA)——物质质量的精细丈量  热重分析(Thermogravimetric Analysis, TGA)是最基础、应用最广泛的热分析技术之一。它能够精确地测量物质在程序升温过程中的质量变化,为我们提供了关于物质稳定性和分解行为的宝贵信息。     TGA的基本原理:质量变化与温度的关系。 本章将详细阐述TGA的原理。我们将理解,当物质发生分解、脱附、氧化、还原、升华等过程时,其质量会发生变化。TGA通过高精度的天平,实时监测这些质量变化,并将其与温度关联起来,形成TGA曲线。    TGA曲线的解读:识别分解温度、残渣质量、反应级数。 学习如何解读TGA曲线是掌握TGA的关键。我们将重点讲解:        起始分解温度 (T_onset) 和终止分解温度 (T_endset): 它们指示了物质开始和完全分解的大致温度范围。        质量损失百分比: 计算不同温度段的质量损失,可以帮助我们推断分解产物的组成。        残渣质量: 反应结束后剩余的固体质量,可以提供关于无机物含量或碳化程度的信息。        一级、二级甚至多级分解: 识别曲线上不同质量损失阶段,判断是否存在多步分解过程。    影响TGA结果的因素:气氛、升温速率、样品量、颗粒度。 许多因素会影响TGA的实验结果,因此在实验设计和数据解读时需要予以考虑。本章将详细讨论:        气氛: 惰性气氛(如氮气)和反应性气氛(如空气、氧气)对分解行为的影响。        升温速率: 升温速率越快,分解峰温通常越高。        样品量: 样品量过大会影响热量传递,导致分解温度偏移。        颗粒度: 颗粒度越小,表面积越大,反应速率可能越快。    TGA的应用实例:        聚合物的热稳定性评估: 测定聚合物的分解温度,评估其在高温下的使用性能。        无机物热分解研究: 研究金属氧化物、碳酸盐等无机物的分解机理和动力学。        水分、溶剂的脱附: 测定材料中挥发性物质的含量。        填充剂含量的测定: 通过燃烧去除有机物,计算无机填充剂的含量。        催化剂的失活机理研究。  第四章:差示扫描量热法 (DSC)——能量变化的细腻感知  差示扫描量热法(Differential Scanning Calorimetry, DSC)是另一种极其重要的热分析技术,它能够精确地测量物质在程序升温过程中与参比物之间的热流差。这使得我们能够探测到物质发生相变、化学反应、结晶、玻璃化转变等过程时伴随的吸热或放热效应。     DSC的基本原理:热流差与温度的关联。 本章将深入解析DSC的原理。我们将理解,DSC仪器通过控制样品和参比物(通常是惰性物质)以相同的温度程序升温,并测量它们之间微小的热流差。当样品发生吸热或放热过程时,其温度会与参比物发生偏差,从而产生一个热流信号。    DSC曲线的解读:识别相变温度、熔融焓、玻璃化转变温度、结晶行为。 DSC曲线的解读至关重要,本章将重点讲解:        吸热峰和放热峰: 吸热峰(通常向下)代表吸热过程,如熔融、蒸发、玻璃化转变;放热峰(通常向上)代表放热过程,如结晶、化学反应、固化。        峰的位置(温度): 指示相变的起始温度、峰值温度等。        峰的面积: 与过程吸收或释放的总能量成正比,可以用来计算熔融焓、结晶焓等。        基线的偏移: 代表玻璃化转变(Tg)等过程,通常表现为一个阶梯状的变化。        结晶度: 通过结晶峰的面积可以估算材料的结晶度。    影响DSC结果的因素:升温速率、样品量、接触方式、参比物选择。 与TGA类似,DSC的结果也受到多种因素的影响:        升温速率: 影响峰的位置和形状,快速升温可能导致峰温升高。        样品量: 样品量过大会导致热量传递不均,影响测量精度。        接触方式: 样品与坩埚之间的接触良好度会影响热量传递效率。        参比物选择: 参比物应在实验温度范围内不发生任何物理化学变化。    DSC的应用实例:        聚合物的玻璃化转变和熔点测定: 了解聚合物的加工和使用温度范围。        相变研究: 如固-固相变、共晶相变等。        结晶动力学研究: 探究材料的结晶过程和结晶速率。        固化反应研究: 监测环氧树脂、聚氨酯等固化过程的放热行为。        纯度测定: 通过熔融峰的展宽程度来评估物质的纯度。        相容性研究: 聚合物共混物的相容性可以用DSC来判断。  第五章:热分析技术的联合应用——多角度透视物质行为  单一的热分析技术往往只能提供有限的信息,而将多种热分析技术联用,或者将热分析与其它表征技术相结合,可以获得更全面、更深入的物质信息。本章将介绍几种常用的联合应用方式。     TGA-DSC联用:质量变化与能量变化的协同分析。 TGA-DSC仪器可以同时测量质量变化和热流差。这意味着我们可以直接将质量损失与吸热/放热过程关联起来。例如,当TGA曲线显示质量损失时,DSC曲线上的吸热峰可以表明是蒸发或脱附,而放热峰则可能与氧化分解有关。这种联用技术在分析复合材料、药物制剂等方面非常有效。    TGA-IR/MS联用:分解产物的“身份识别”。 在热重分析过程中,物质分解会产生挥发性气体。通过将TGA与红外光谱(IR)或质谱(MS)联用,我们可以实时监测这些气体的化学组成。IR可以识别出官能团信息,而MS可以提供分子的质荷比信息。这对于解析复杂的分解机理、识别有毒有害气体非常有帮助。    DSC与其他技术联用:        DSC-XRD联用: 结合X射线衍射(XRD)技术,可以实时监测相变过程中晶体结构的演变,为理解相变机理提供微观证据。        DSC-光谱联用: 将DSC与紫外-可见吸收光谱(UV-Vis)、荧光光谱等联用,可以研究光照或颜色变化与温度变化之间的关联。    热分析与其他表征技术的互补:        热分析与显微技术: 结合光学显微镜、扫描电子显微镜(SEM)等,可以在观察物质形貌的同时进行热分析,了解形貌变化与热行为的关系。        热分析与光谱技术: 除了TGA-IR/MS,也可以将DSC与其他光谱技术(如拉曼光谱、核磁共振谱)联用,从更深层次了解物质在热过程中的化学键和分子结构变化。  第六章:热分析在材料科学与工程中的应用——解锁材料潜能  热分析技术作为一种强大的表征工具,在材料科学与工程的各个领域都发挥着不可替代的作用。本章将通过具体的应用案例,展示热分析如何帮助我们理解、设计和优化各种材料。     高分子材料:        热稳定性与加工窗口: TGA测定聚合物的分解温度,DSC测定玻璃化转变温度和熔点,为聚合物的加工和使用提供关键数据。        固化反应与交联度: DSC用于研究固化反应的动力学,估算交联度,优化固化工艺。        阻燃性能评估: 通过TGA分析材料在热应力下的热失重行为,评估其阻燃性能。        共混物相容性: DSC可用于判断不同聚合物共混物的相容性。    陶瓷与无机材料:        相变与合成: DSC用于研究陶瓷的相变温度,TGA用于研究陶瓷前驱体的分解行为,指导陶瓷合成。        烧结过程: 热分析可以帮助理解烧结过程中发生的化学反应和物相变化。        热膨胀系数: 热膨胀分析仪可以精确测量材料的热膨胀系数,对于设计耐高温材料至关重要。    金属材料:        相变与合金设计: DSC用于研究金属的相变温度、相图,指导合金的设计。        氧化与腐蚀: TGA在反应性气氛下可以研究金属的氧化行为,评估其耐腐蚀性。        焊接与钎焊: DSC可用于研究焊料的熔融和凝固行为。    复合材料:        基体与填料的相互作用: TGA可用于测定填料含量,DSC可用于研究填料与基体之间的界面相互作用。        增强体的热稳定性: 评估增强体(如碳纤维、玻璃纤维)在高温下的稳定性。    药物与生物材料:        药物晶型研究: DSC可以区分不同晶型的药物,评估其热稳定性。        药物溶出与降解: 热分析可用于研究药物的溶出行为和降解速率。        生物材料的相容性与降解: 研究生物材料在生理条件下的热行为。    能源材料:        电池材料: 热分析用于研究电池材料的充放电过程中的热效应,评估其安全性能。        储能材料: 研究相变材料的储能密度和循环稳定性。  结语:  热分析,是一门充满活力、应用广泛的学科。它以温度为钥匙,解锁物质世界的种种变化。本书《热分析简明教程》仅仅是为你推开这扇大门,揭示了其中最核心的原理和最常用的技术。我们希望通过简明扼要的阐述,帮助你建立起对热分析学的基本认知,培养起运用热分析解决实际问题的能力。在未来的学习和研究中,愿你能够继续深入探索,将热分析的智慧融入你的工作,为科学技术的进步贡献你的力量。  (本书的编写,旨在以简洁易懂的方式,介绍热分析的基本概念、原理、技术以及在材料科学等领域的应用。我们力求在保持科学严谨性的同时,降低阅读门槛,让更多读者能够快速领略热分析的魅力。)