葛艳蕊,李建军,刘红梅,杜红霞

　　(河北科技大学化学与制药工程学院,河北石家庄　050018)

　　摘　要:较详细地介绍了美国TA公司的SDT-2960热分析仪的结构、原理、性能,并对其主要应用进行了举例和探讨。

　　关键词:热分析仪SDT-2960;结构;原理;性能;应用

　　SDT-2960(即Simultaneous TGA-DTA)热分析仪,是由美国TA公司生产的20世纪90年代新产品,它同时具有差热分析(DTA)和热重分析(TGA)的特点。由于热分析方法种类繁多,每种方法的利用率也各不相同。热分析文摘TAA1975～1980年各种热分析方法利用率统计表表明,两种最重要的热方法TG-DTA联用占7.4%,表现出增长的趋势[1] 。

　　1　SDT-2960的结构原理及性能

　　1.1　TGA的结构原理与性能

　　1) TGA的结构原理　SDT-2960是在TA公司原TGA951基础上,使用“双臂并行天平”的原理设计。其中一臂作为高灵敏度DTA的热电偶,另一臂作为水平天平零位平衡测量。同时一臂用来装试样,测量质量变化,另一臂为参比,用来测量DTA(ΔT)和修正TGA测量。水平并行双臂式测量方法达到检测TGA质量及DTA差热改变之目的。

       水平双臂并行方式原理设计(见图1),比起单臂设计原理来,避免了即使在高温段,基线也非常稳定,不会产生漂移,使基线下降,同时也避免了高温下,热气体受浮力往上蒸发,气流对天平室的腐蚀,影响天平平衡,而水平式载气流体设计避免了上述误差。

　　2) TGA的性能　SDT-2960水平双臂并行天平的灵敏度为0.1μg,最大负载量为350mg。该天平的称重精度≤0.1μg,在整个温度范围内(室温至1 500℃)对样品的测量准确度优于0.1%,其温度准确度及重复性均可达到0.1℃,是一般天平不能相比的。众所周知,热天平在升温实验过程中,由于气体的“浮力效应”、加热气体的热循环、所做实验过程中载气量的多少、升温速率的快慢均会影响到测量的准确度及精确度。因此在单臂热天平使用过程中,为减少上述影响,每次实验前,均应该首先在相同的实验条件下,不装样品做一次实验。模拟实验全过程并把结果记录下来,然后再装上样品做实验,将实验结果同模拟结果相减,提高天平检测精度及减小误差。但即使这样,由于实验过程不可能完全一样,会影响最后测试结果和精度,而双臂并行型天平可克服上述缺点。由于两臂处于同一炉体内,其升温速率、气流及环境均相同,因此各种变化相等且对应地作用于两臂坩埚上,对结果的影响相互抵消,提高了实验精度[2] 。

　　1.2　DTA结构原理与性能

　　1) DTA结构原理　差热分析结构原理如图1。试样S和参比物R分别装在两坩埚内,在坩埚下各有一个热电偶,这两个热电偶相互反接。对试样和参比物同时进行程序升温,当加热到某一温度,试样发生放热或吸热时,试样温度TS会高于或低于参比物温度TR产生温差,该温差ΔT就会由上述两个反接的热电偶以差热电势形式输给差热放大器,经放大后输入记录仪,得到差热曲线;另一方面从差热电偶参比物一侧取出的与参比物温度TR对应的信号,经冷端补偿后送记录仪得温度曲线[3]。SDT-2960的一对热电偶由铂和铂铑合金构成,热电偶被陶瓷臂包在里面,且分别被焊接在样品支架和参比物支架底部的铂传感器上,和样品支架相连接的热电偶也用于检测热分析曲线中的x轴,即样品的温度。

　　2) DTA的性能　SDT-2960热分析仪的加热速率范围较宽(0.1～100℃/min),冷却速率可在0.5 h内从1 500℃降至50℃。由于它的快速加热以及快速冷却,它可以在各种领域内广泛使用。该仪器有较高的温度灵敏度,为0.001℃,同计算机联用立即获得实验结果。

        1.3　联用型优点

　　显而易见,SDT-2960热分析仪可以用一个样品一次完成TGA,DTA两种不同的实验,提高了效率。但最主要的是它在完全相同的条件下得出的两个对应性非常好、可信度非常高的结果,能方便地区分物理变化与化学变化,便于比较对照,相互补充同一反应在TGA和DTA曲线的两个重要侧面,因为反应随温度所发生的一切变化,都同时反映在TGA和DTA曲线上。

　　2　新应用实例

　　TA公司的SDT-2960做为一种有用的工具,可以对材料进行定性、定量。该仪器的多功能性,可以用以下应用来说明。

　　1)三硝基间苯二酚热分解动力学的研究

　　利用SDT-2960热分析仪,采用动态热失重分析方法,计算出了三硝基间苯二酚热分解的不同阶段,即转化率分别为10%,30%,50%,60%,80%时的活化能和一级反应指前因子,从动力学计算结果可以看出,在不同转化率时,lgβ～1/T图的直线基本平行,见图2,活化能计算结果基本一致,见表1,说明三硝基间苯二酚在150～280℃范围内热分解机理基本一致[4]。

　　        表1　不同转化率时的活化能和一级反应指前因子

　　2)材料寿命的快速比较　SDT-2960可以直接、快速地预测材料的使用寿命。在相同条件下,对日本和国产的两种防护剂进行了使用寿命的测试,结果如图3和图4。从图中可以看出,日本防护剂在50℃可使用几年,而国产仿制品在相同温度下,只能使用1 d。此方法操作简单,能在几小时内得出结果,而普通预测材料寿命的方法,需几个月,甚至几年。

　　                图3　日本进口防护剂使用寿命预测图

　　                   图4　国产防护剂使用寿命预测图

　　                 图5　硅酸盐水泥的TGA-DTA曲线

　　3)耐高温材料的评估　SDT-2960可以提供达1 500℃高温的材料评估,这种能力可以获得无机物如水泥、黏土、陶瓷、超导材料和金属等在高温下的测量与分析,以下是个典型的例子。硅酸盐水泥是组成复杂的混合物,图5所示的即为一典型水泥的TGA-DTA曲线。从中可以看到有4个和DTA相对应的质量损失,这些和石膏(CaSO4·2H2O)的分解、氢氧化钙的分解、碳酸钙的分解和硅酸二钙向硅酸三钙的转变相对应,这种热分析曲线可以很准确地鉴别不同配方下的水泥产品。更重要的是,重要的工艺信息如石膏的质量分数等可以被测定,从而评估水泥的优劣。

　　4)其他应用　SDT-2960除了以上应用外,还可以用来研究反应性气体对材料的影响,并能对多组分复合材料进行分析以及研究材料的热稳定性和氧化稳定性等,由于篇幅所限,在此不详细介绍。

　　3　SDT-2960的其他特点

　　SDT-2960热分析仪全量程范围采用标准金属法五点温度校正,温度间隔小,准确度高,温度校正和质量校正全部自动完成,自动归零及记录样品质量,自动采集、存储和显示数据。该仪器具有其他仪器无法比拟的特点:其一是一旦仪器出现故障,计算机系统会提示错误故障代码,根据这一提示,用户可自行排除一些简单的仪器故障,可以大大节省时间和费用。另外,SDT-2960所附带的TGA-DTA分析软件可同时分析标准TGA和DTA数据,而TGA动力学软件则能提供反应速率、反应程度、活化能、产品寿命、半衰期等,使用非常方便。

　　4　结束语

　　综上所述,美国TA公司的SDT-2960热分析仪是一种新型结构的热分析仪,其优良品质拓展了它的应用范围,只是在我国用户还不多,广大热分析工作者对其性能特点了解的还不够。广大热分析工作者对其更深入的了解研究及用户的不断扩大,以及我国对先进技术、先进仪器的进一步需求,肯定会使其发挥更大的作用。

　　参　考　文　献

　　[1]　刘振海.热分析导论[M].北京:化学工业出版社,1991.4～5.

　　[2]　杨森淼,李元高.新型热分析仪TG/DSC-111的特点及其应用[J].国外分析仪器技术与应用,1993,(4):18～26.

　　[3]　杜廷发.现代仪器分析[M].北京:国防科技大学出版社,1994.13.