各种同步热分析仪在高分子材料中的应用

• 发表时间：2020-07-10
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一、前言
热分析仪分析法是指在程序控制温度的条件下, 测量物质的性质与温度关系的一种技术[1]。在加热或冷却的过程中, 随着物质的结构、相态、化学性质的变化，质量、温度、热熔变化、尺寸及声光电磁及机械特征性都会随之相应改变。因此，热分析法在定性、定量表征材料的热性能、物理性能、机械性能以及稳定性等方面有着广泛地应用。随着高分子工业的迅速发展，为了研制新型的高分子材料，控制高分子材料的质量和性能，测定高分子材料的熔融温度、玻璃化转变温度、混合物的组成、热稳定性等是必不可少的。在这些参数的测定中，同步热分析仪是主要的分析工具。
热分析仪分析技术仪器主要包括：热重分析仪（TG）、差热分析仪（DTA）、差示扫描量热仪（DSC）、同步热分析仪（STA）、热分析仪等。本文简要介绍了这些热分析仪技术的原理、仪器及其在高分子材料研究领域的应用。

二、热重分析仪（TG）及其在高分子材料方面的应用
热重分析仪是在程序控温下，测量物质的质量与温度的关系。通常热重分析仪分为非等温热重法和等温热重法。它具有操作简便、准确度高、灵敏快速以及试样微量化等优点。
热重分析仪主要研究在惰性气体中、空气中、氧气中材料的热的稳定性、热分解作用和氧化降解等化学变化；还广泛用于研究涉及质量变化的所有物理过程，如测定水分、挥发物和残渣，吸附、吸收和解吸，气化速度和气化热，升华速度和升华热；有填料的聚合物或共混物的组成等。
用来进行热重分析的仪器一般称为热重分析仪。它的测量原理是，在给被测物加温过程中，由于物质的物理或化学特性改变，引起质量的变化，通过记录质量变化时程序所走出的曲线，分析引起物质特性改变的温度点，以及被测物在物理特性改变过程中吸收或者放出的能量，从而来研究物质的热特性。
例如，热重分析仪可以准确地分析出高分子材料中填料的含量。
根据填料的物理化学特性，可以判断出填料的种类。一般情况下，高分子材料在500℃左右基本全部分解，因此对于600-800℃之间的失重，可以判断为碳酸盐的分解，失重量为放出的二氧化碳，并可以计算出碳酸盐的含量。剩余量即为热稳定填料的含量，如：玻纤、钛白粉、锌钡自等的含量。
然而，热重分析仪只能得出填料的含量，不能分析出填料的种类，将热重分析残渣进行红外分析，便可判断出填料的种类。

三、差热分析仪（DTA）及其在高分子材料方面的应用
差热分析仪是应用最广泛的一种热分析技术，它是在程序控制温度下，建立被测量物质和参比物的温度差与温度关系的技术。
差热分析仪的测量原理是将被测样品与参考样品同时放在相同的环境中同时升温，其中参考样品往往选择热稳定性很好的物质，同时给两种样品升温过程中，由于被测样品受热发生特性改变，产生吸、放热反应，引起自身温度变化，使得被测样品和参考样品的温度发生差异。用计算机软件描图的方法记录升温过程和升温过程中温度差的变化曲线， 最后获取温度差出现时刻对应的温度值（引起样品产生温度差的温度点），以及整个温度变化完成后的曲线面积，得到在该次温度控制过程中被测样品的物理特性变化过程及能量变化过程。差热分析仪可以用于材料的玻璃化转变温度，熔融及结晶效应，降解等方面的研究，它可以在高温高压下测量高分子材料的性能，因此了得到广泛的应用。但是DTA也具有一定的局限性，即它无法提供试样吸热、放热过程中热量的具体数值，所以DTA无法进行定量热分析和动力学研究。

四、差示扫描量热仪（DSC）及其在高分子材料方面的应用
DSC的技术方法是按照程序改变温度，使试样与标样之间的温度差为零。测量两者单位时间的热能输入差。就是说，使物转移过程中的温度和热量能够加以定量。运用DSC技术可以测量玻璃化温度、融解、晶化、固化反应、比热容量和热履历等项目。试样的用量非常少，有数毫克就够了。另外，最近有一种最新的高分子测量方法叫做动态DSC（温度调制DSC），引起了人们的关注。
DSC热差曲线在外观上与DTA几乎完全相同，只是曲线上离开基线的位移代表吸热或放热的速度，而峰或谷的面积代表转变时所产生的热量变化。DSC中的试样任何时候均处于温度程序控制之下，因此，在DSC中进行的转变或反应，其温度条件是严格的，进行定量的动力学处理时在理论上没有缺陷[5]。
玻璃化转变是高聚物的一种普遍现象。在高聚物发生玻璃化转变时，许多物理性能发生了急剧变化，如比热容，弹性模量，热膨胀，介电常数等。DSC测定玻璃化转变温度—Tg就是基于高聚物在Tg转变时比热容增加这一性质进行的。在温度通过玻璃化转变区间，高聚物随温度的变化，热容有突变，在DSC曲线上，表现基线向吸热方向的突变，由此确定Tg。

五、同步热分析仪（STA）及其在高分子材料方面的应用
同步热分析仪（STA）是测量物质的变形量（尺寸变化）的技法。测量时按一定的程序改变试样的形态，如加载压缩、拉伸、弯曲等非振动性的负荷，以测量物质的形变量。加一个周期变化的应变量或应力，测量由此引起的应力或应变，以测量试样的力学性能，这就是同步热分析仪检测（STA）方法。
同步热分析仪对研究和测量材料的应用范围、加工条件、力学性能等都具有十分重要的意义，可用它来研究高分子材料的热机械性能、玻璃化转变温度Tg、流动温度Tf、软化点、杨氏模量、应力松弛、线性膨胀系数等。高分子材料的热膨胀性比金属及陶瓷大，且高分子材料的热膨胀系数随温度的提高而增大，为了拓宽其应用领域，对其进行改性从而降低热膨胀性。Yang等对木素纤维素进行改性，用STA测定未改性的木素纤维素和改性的木素纤维素的热膨胀性，改性的木素纤维素的热膨胀性降低。STA使高分子材料的力学行为与温度和作用的频率联系起来，可提供高分子材料的模量、粘度、阻尼特性、固化速率与固化程度、主级转变与次级转变、凝胶化与玻璃化等信息。这些信息又可用来研究高分子材料的加工特性、共混高聚物的相容性；预估材料在使用中的承载能力、减振、吸声效果、冲击特性、耐热性、耐寒性等。STA已被用来研究各种高分子共混物、嵌段共聚物和共聚反应等。DMA可以用于高分子共混材料相容性的表征。聚合物共混是获得综合性能优异的高分子材料的卓有成效的途径，且共混物的动态力学性能主要由参与共混的两种聚合物的相容性所决定的。如果完全相容，则共混物的性质和具有相同组成的无规共聚物几乎相同。如果不相容，则共混物将形成两相，用STA测出的动态模量-温度曲线将出现两个台阶，损耗温度曲线出现两个损耗峰，每个峰均对应其中一种组分的玻璃化转变温度，且从峰的强度还可判断出共混物中相应组分的含量。

六、结语
随着社会生产的发展和科学技术的进步, 特别是以计算机科学为前导的信息科学、材料科学和生命科学的日新月异, 热分析技术在实验自动化、进样微量化、信号高灵敏化以及多种分析手段联用方面取得较大进展, 亦向着微量化、自动化、多元化等趋势发展。其中，将热分析仪器的特长和功能与不同的仪器相结合，实现联用分析，扩大分析范围是目前常用的方法。近年来，已有TG与DTA、TG与DSC、TMA与DMA与DTA的联用，TG与MS、DTA-GC、TG-FTIR 的联用等。此外，随着电子技术和机械工艺的进一步发展，未来的热分析仪器也必然会朝着高精度、高灵敏度，全自动化、外观美观和结构紧凑型的方向发展。这些仪器的技术发展也为热分析技术的发展提供了良好的前提条件，对高分子材料的开发与研制起到重要的作用。