差热分析实验

一、目的意义

差热分析(DTA，differentialthermal analysis)是研究相平衡与相变的动态方法中的一种，利用差热曲线的数据，工艺上可以确定材料的烧成制度及玻璃的转变与受控结晶等工艺参数，还可以对矿物进行定性、定量分析。 本实验的目的：

1．了解差热分析的基本原理及仪器装置； 2．学习使用差热分析方祛鉴定未知矿物。

二、基本原理

差热分析的基本原理是：在程序控制温度下；将试样与参比物质在相同条件下加热或 冷却，测量试样与参比物之间的温差与温度的关系，从而给出材料结构变化的相关信息。 物质在加热过程中，由于脱水，分解或相变等物理化学变化，经常会产生吸热或放热 效应。差热分析就是通过精确测定物质加热(或冷却)过程中伴随物理化学变化的同时产生 热效应的大小以及产生热效应时所对应的温度，来达到对物质进行定性和／或定量分析的目 的。

差热分析是把试样与参比物质(参比物质在整个实验温度范围内不应该有任何热效应， 其导热系数，比热等物理参数尽可能与试样相同，亦称惰性物质或标准物质或中性物质) 置于差热电偶的热端所对应的两个样品座内，在同一温度场中加热。当试样加热过程中产生 吸热或放热效应时，试样的温度就会低于或高于参比物质的温度，差热电偶的冷端就会输出 相应的差热电势。如果试样加热过程这中无热效应产生，则差热电势为零。通过检流计偏转 与否来检测差热电势的正负，就可推知是吸热或放热效应。在与参比物质对应的热电偶的冷 端连接上温度指示装置，就可检测出物质发生物理化学变化时所对应的温度． 不同的物质，产生热效应的温度范围不同，差热曲线的形状亦不相同(如图16-2所示)。 把试样的差热曲线与相同实验条件下的已知物质的差热曲线作比较，就可以定性地确定试洋 的矿物组成。差热曲线的峰(谷)面积的大小与热效应的大小相对应，根据热效应的大小， 可对试样作定量估计。

三．仪器设备与装置

差热分析所用的设备主要由加热炉，差热电偶，样品座及差热信号和温度的显示仪表等所组成。

加热炉依据测量的温度范围不同有低

00温型(800-1000C以下)，中温型1200C0以下)，高温型(1400-1600C以下)． 差热电偶是把材质相同的两个热电偶的相同极连接在一起，另外两个极作为差热电偶的输出极输出差热电势。差热分析

装置示意图如16-1所示。

差热分析仪是将差热分析装置中的 样品室，温度显示，差热信号采集及记录

全部自动化的一种分析仪器。依据组合方 式不同，有DTA-TG型DAT-DSC(differen- 图17-1 差热分析装置示意图

tial scan ningcalorimetry)型，有的综 图16-1 V-电压表A-电流表 R1，R2-检流计 合热分析还可以同时测定加热过程中材料 回路中的串联电阻箱1和2组成电偶

的热膨胀，收缩，比热等。

四、测试步骤

1．按图16-1所示检查装置连接情况。 2．接通检流计照明电源，调好零位。用手轻轻触摸差热电偶一热端，观察检流计偏转方向。向右偏转定为放热效应，向左为吸热效应。

3． 试样(石膏)放在向右偏转的热端对应的样品座内，中性物质(-Al2O3)放在另一个座内，样品装填密度应该相同。 4．将样品座置于加热炉的炉膛中心，

否则会造成基线偏移，差热曲线变形。 图16-2 热差曲线（示例）

005．根据空白曲线的升温速率(一般大约10C／min)升温。每隔10～20C记录检流计读数和温度。检流计最大偏转时的温度(差热曲线峰顶或谷底温度)一定要记录下来，否则影

0响差热曲线的形状。石膏试样升温至300C即可。 6．数据记录及处理。

以下表形式记录原始数据，以原始数据减去空白实验数据得出校正后的检流计读数，并以校正后检流计读数为纵坐标，温度为横坐标，绘制出差热曲线。如图16-2所示。 如果所测的矿物是未知矿物，则与标准图谱比较即可鉴定该矿物。常见粘土类矿物的差热曲线示于图16-3。

图16-3 粘土矿物及其夹杂的部分矿物差热曲线  温度(C) 检流计读数 空白实验检流计读数 校正后检流计读数 注：空白试验是指样品座内都装中性物质，对仪器的系统误差进行校正时所作的实验。

附：影响热分析的因素： 1．加热速率：

加热速率显著影响热效应在差热曲线上的 位置，如图16-4所示。不同的加热速率，其差 热曲线的形态，特征及反应出现的温度范围有 明显的不同．一般加热速度增快，热峰(谷)变得 尖而窄；形态拉长，反应出现的温度滞后．加 热速率慢时，热峰(谷)变得宽而矮，形态扁平， 反应出现的温度超前。 2．热传导：

物质的热传导系数对差热曲线的形状和峰 谷的面积有很大影响．因此，要求样品与中性 物质的热传导系数相近。如果两者热传导系数 和热容相差较大时，即使样品没有发生热效应， 由于导热性不同而产生温度差，导致差热曲线 的基线不成一根水平线。所以，粘土与硅酸盐 物质选用煅烧过的氧化铝或纲玉粉。对于碳酸 盐，则选用灼烧过的氧化镁。

3．样品的物理状态： 图16-4 加热速度对高龄石脱水的影响

⑴ 颗粒度 粉末试样颗粒度的大小，对产生热峰的温度范围和曲线形状有直接影响．一般来说，颗粒度愈大，热峰产生的温度愈高，范围愈宽，峰形趋于扁而宽。反之，热效应

2温度偏低，峰形尖而窄．试样细度—般过4900孔／cm筛较好。

⑵ 试样的重量 一般用少量试样可得到较明显的热峰．试样太多，由于热传导迟缓使相迈峰易合并在一起．通常用0.2g左右，可以得到较好灵敏度。

⑶ 试洋的形状和堆积试样堆积最理想的方式是将粉状试样堆积成球形，从热交换观点看球形试样可以没有特殊损失．为方便起见，可取试样直径与高度相等的圆柱体代替．试样的堆积密度与中性物质一致，否则，在加热过程中，因导热不同会引起差热曲线的基线偏移。 ⑷ 热电偶的热端位置热电偶热端在试样中的位置不同，会使热峰产生的温度和热峰的面积有所改变．这是因为物料本身有一定的厚度，因此表层的物料物理化学过程完成较早，中心部分较迟，使试样出现温度梯度。

五、思考题

1．和静态方法相比较，差热分析这种动态方法有什么优缺点? 2．如何保证差热分析数据的准确性?