热分析_【CMA/CNAS认证】_中科光析科学技术研究所

热分析技术：原理、方法与应用

热分析是在程序控制温度下，测量物质的物理性质与温度关系的一类技术。它为材料的热稳定性、组成、相变、反应动力学以及热力学参数提供了至关重要的数据，广泛应用于材料科学、化学、药学、食品科学及工程领域。

热分析涵盖多种方法，核心在于测量物质在受热或冷却过程中发生的物理变化。

1.1 差示扫描量热法
DSC是应用最广泛的热分析技术之一。其原理是测量样品与惰性参比物在程序控温条件下，维持两者温度一致所需的热流差（功率差）随温度或时间的变化。DSC主要用于测量：

1.2 热重分析法
TG测量样品的质量随温度（动态）或时间（等温）在程序控温下的变化。样品置于高精度天平上，在特定气氛（氮气、空气、氧气等）中加热。TG主要用于：

1.3 热机械分析法
TMA测量样品在非振荡性负载下，尺寸随温度或时间的变化。探针以恒定力作用于样品，记录其膨胀、收缩、软化等形变。主要应用于：

1.4 动态热机械分析法
DMA测量材料在周期性交变应力作用下的力学响应（模量与阻尼），是研究粘弹性最有力的工具。样品受正弦应力作用，测量其应变振幅和相位差。主要检测：

1.5 同步热分析
STA通常指将TG与DSC（或DTA）结合于同一测量单元，对同一样品在完全相同的实验条件下同步测量质量变化与热效应。这能直接关联质量变化与吸放热事件，对于准确解析复杂过程（如分解、氧化、溶剂脱附）至关重要。

热分析技术几乎渗透所有材料研发与质量控制环节。

国内外已建立完善的热分析标准体系，确保检测结果的一致性与可比性。

国际标准（ISO）：
- ISO 11357（系列）：塑料-DSC法。
- ISO 11358（系列）：塑料-TG法。
- ISO 6721（系列）：塑料-DMA法。
- ISO 22007（系列）：热传导率和热扩散率的测定。
中国国家标准（GB/T）：
- GB/T 19466（系列）：塑料-DSC法，等同采用ISO 11357。
- GB/T 27761：热重分析仪失重和剩余量的试验方法。
- GB/T 33047：聚合物材料热稳定性的测定（TG法）。
- GB/T 22567：电气绝缘材料-TG和DTG测定规程。
美国材料与试验协会标准（ASTM）：
- ASTM E1131：TG法成分分析。
- ASTM E794：DSC法测定熔点。
- ASTM E1867：DMA测定温度与频率。
- ASTM D3418：DSC法测定聚合物转变温度。

现代热分析仪器通常由主机（测量单元）、温控系统、气氛控制系统、数据采集与处理系统组成。

差示扫描量热仪：核心是双炉（热流式）或单个炉体配合补偿加热器（功率补偿式）。温度范围通常为-180℃至725℃。配备自动进样器和高压/密闭坩埚可扩展其应用。
热重分析仪：核心是高灵敏度微量天平（分辨率可达0.1 µg）和与之集成的程序控温炉体。天平系统必须与加热区热隔离并受保护性吹扫气保护。最高温度可达1600℃以上，并可与红外或质谱联用进行逸出气体分析。
热机械分析仪：核心是位移传感器（如线性可变差动变压器）和可施加精确负载的探针。根据样品类型，可配备压缩、针入、拉伸、弯曲等多种探针。
动态热机械分析仪：根据施力模式分为悬臂梁、三点弯曲、拉伸、压缩、剪切等多种夹具。其驱动系统产生正弦力，传感器精确测量形变。温控范围宽，并可进行多频率扫描。
同步热分析仪：将TG的称重单元与DSC的传感器精巧结合，确保样品在测量热流和质量变化时处于完全一致的热环境中，是综合性分析的理想设备。