使用熱分析儀技術(shù)的優(yōu)勢

熱分析技術(shù)的優(yōu)勢：

(1)適用樣品廣泛、試樣量少

對于大多數(shù)固態(tài)和液態(tài)的物質(zhì)而言，可以根據(jù)實驗需要不作或稍作處理即可進行熱分析實驗。

另外，與其他常規(guī)分析方法相比，熱分析實驗需要的樣品量一般較少。隨著儀器技術(shù)的發(fā)展，熱分析實驗所需要的樣品量越來越少。例如，與早期的儀器相比，當(dāng)前的熱重儀可以用來檢測質(zhì)量僅為0.1mg 的樣品隨溫度變化而發(fā)生的質(zhì)量變化，而幾十納克的樣品也可以用來進行量熱實驗。微量量熱實驗所需的樣品的量更少，如微量差示掃描量熱實驗可用來測定質(zhì)量體積濃度為 1×10^-5 g/mL 溶液中的相轉(zhuǎn)變行為。

與傳統(tǒng)的分析方法相比，通過較少的樣品能夠更加真實地反映某些材料的熱學(xué)特性。例如，在加熱過程中較大的試樣量存在著試樣內(nèi)部與試樣表面之間的溫度差。當(dāng)試樣發(fā)生分解時，分解產(chǎn)物尤其是氣體產(chǎn)物存在著一個從內(nèi)層向外層擴散的過程，在熱分析技術(shù)中使用較少的試樣量則可以更加方便地避免這種影響。需要特別指出，有時為了與樣品的真實加熱處理工藝相近，會在實驗時有意地加入更多的樣品量，這樣可以更加真實地反映試樣在真實環(huán)境中的熱行為。

(2)靈敏度高

作為分析儀器的一個重要分支，熱分析技術(shù)具有靈敏度高的特點。一般來說，靈敏度與儀器的待測量的測量范圍成負(fù)相關(guān)的關(guān)系。靈敏度越高，其量程越窄，反之亦然。在實驗時，應(yīng)根據(jù)研究目的選擇具有合適的靈敏度的儀器來進行實驗。

(3)可連續(xù)記錄待測物理量的變化

與其他光學(xué)、電學(xué)等分析方法測量材料的熱性質(zhì)不同，由熱分析技術(shù)可以得到試樣的物理性質(zhì)(如質(zhì)量、熱流、尺寸等)隨溫度(或時間)的連續(xù)變化曲線。由實驗得到的曲線可以更加真實地反映試樣的物理性質(zhì)隨溫度(或時間)的連續(xù)變化。而由傳統(tǒng)的采用不同溫度下等溫測量的間歇式實驗方法則容易遺漏在溫度變化過程中材料的性質(zhì)變化過程中的一些重要信息。

(4)測溫范圍寬

當(dāng)前的熱分析技術(shù)可以用來測量低溫度為8K的極低溫下(大多數(shù)商品化儀器可以實現(xiàn)液氮溫度附近的低溫)的熱性質(zhì)(如比熱容、熱膨脹系數(shù)等)變化。

在高溫測量方面，一些特殊用途的熱分析儀最高可以測量2800℃的變化。也就是說，理論上熱分析技術(shù)可以用來測量-265~2800°℃范圍內(nèi)的熱性質(zhì)的變化。但在實際應(yīng)用中，熱分析儀器的工作溫度范圍通常為-196°℃(液氮溫度)至1600°℃。當(dāng)然，僅靠使用一臺儀器很難測量在如此寬廣的溫度范圍內(nèi)的性質(zhì)變化。通常通過縮小儀器的工作溫度范圍來提高儀器的測量精度。例如，高靈敏度的微量差示掃描量熱儀的溫度測量范圍一般為-10~130℃。此外，對于用來研究高溫下材料熱分解的熱重-差熱分析儀或熱重-差示掃描量熱儀的量熱精度也要低于單獨使用的差示掃描量熱儀。

(5)溫度控制程序復(fù)雜多變

由熱分析技術(shù)可以連續(xù)測量得到在程序控溫下樣品的性質(zhì)隨溫度或時間變化的曲線。溫度變化(temperature alteration)意味著可以預(yù)先設(shè)定溫度(程序溫度)或樣品控制溫度的任何溫度隨時間的變化關(guān)系。其中，樣品控制的溫度變化是指利用來自樣品的反饋信號來控制樣品所承受的溫度的一種技術(shù)。

其中，程序溫度的變化方式主要分為：①線性升溫/降溫；②線性升溫/降溫至某一溫度后等溫；③在某一溫度下進行等溫實驗；④步階升溫/降溫；⑤循環(huán)升溫/降溫；⑥以上幾種方式的組合。

需要說明的是，以上這些溫度變化過程可以通過儀器的控制軟件實時記錄下來，這是熱分析技術(shù)有別于其他分析方法的主要優(yōu)勢之一。

(6)實驗時間取決于溫度控制程序

對于熱分析技術(shù)而言，完成一次實驗所需時間的長短取決于具體的溫度控制程序。目前商品化的熱分析儀器的最快升溫速率各有不同。例如，由熱重儀可以實現(xiàn)的瞬時最快升溫速率可以達(dá)到 2000℃/min，最快的線性加熱速率為500°C/min。瑞士梅特勒-托利多公司的閃速差示掃描量熱儀(Flash DSC)的最快升溫速率可以達(dá)到3000000°C/min。對于一臺比較穩(wěn)定的熱分析儀器而言：可以比較容易地實現(xiàn)低于0.1°C/min的溫度變化速率。

實驗時采用的溫度變化程序取決于樣品自身的性質(zhì)和具體的實驗需要。由于較慢的溫度變化速率耗時很長，因此除非特殊需要，在熱分析技術(shù)實際應(yīng)用時很少采用低至2°C/min的溫度變化速率。當(dāng)然，微量量熱法屬于例外的情形。對于微量量熱法而言，由于實驗時所用的試樣(通常為溶液)量較大，因此所采用的加熱/降溫速率大多十分緩慢。常用的加熱/降溫速率一般為0.1~1°C/min或者更低的加熱/降溫速率。

(7)可以靈活選擇和改變實驗氣氛

對于大多數(shù)物質(zhì)的熱分析實驗而言，與試樣相接觸的氣氛十分重要。使用熱分析技術(shù)可以比較方便地研究試樣在不同的實驗氣氛下材料的性質(zhì)隨溫度或時間的變化。

氣氛一般可以分為靜態(tài)氣氛和動態(tài)氣氛兩種。

靜態(tài)氣氛主要指以下三種類型：①常壓氣氛，即在實驗時不通入其他的氣氛氣體；②高壓或低壓氣氛，即在試樣周圍充填靜態(tài)的氣氛氣體；③真空氣氛。

動態(tài)氣氛主要可以分為：①氧化性氣氛，如氧氣；②還原性氣氛，如H₂、CH₄、CO、C₂H₄、C₂H₂等；③惰性氣氛，如N₂、Ar、He、CO₂等；④腐蝕性氣氛，如SO₂、SO₃、NH₃、NO₂、N₂O、HC1、Cl₂、Br₂等；⑤其他反應(yīng)性氣氛，即在實驗時根據(jù)需要通入可能與試樣或產(chǎn)物發(fā)生化學(xué)反應(yīng)的氣體。

需要說明的是，在以上③中所列的惰性氣氛對于有些反應(yīng)是相對的。例如，CO₂對于大多數(shù)物質(zhì)來說是惰性氣體，而對于一些氧化物如CaO等而言，在一定溫度下會與CO₂發(fā)生反應(yīng)生成CaCO₃。再如，N₂在高溫下會與不少的金屬發(fā)生反應(yīng)形成氮化物。在實際實驗中選擇實驗氣氛時應(yīng)引起足夠的重視。

實驗時，應(yīng)根據(jù)實際需要來靈活選擇實驗氣氛。在現(xiàn)代化的大多數(shù)商品化儀器中，可以通過儀器的控制軟件十分靈活地實現(xiàn)在設(shè)定的溫度或時間下切換氣氛的種類幾流量。

(8)方便得到轉(zhuǎn)變或分解的動力學(xué)參數(shù)

在熱分析技術(shù)中，通過改變升溫/降溫速率（一般為3~5個速率）連續(xù)測量材料的物理性質(zhì)隨溫度或時間的變化，由相應(yīng)的動力學(xué)模型得到相應(yīng)的動力學(xué)參數(shù)（如指前因子A、活化能E_a、反應(yīng)級數(shù)或機理函數(shù)）。對于等溫實驗，一般通過測量材料在不同溫度下的實驗曲線來得到動力學(xué)參數(shù)。

(9)方便與其他實驗方法聯(lián)用

在現(xiàn)代分析方法中，使用一種方法得到的信息比較有限，并且實驗操作也十分繁瑣和耗時，對樣品的消耗量也比較大。另外，在對通過多種方法獨立實驗得到的結(jié)果進行對比時有時很難得到一致的結(jié)論。例如對于試樣在高溫時分解產(chǎn)物大多為氣體的實時分析時，如果把高溫的分解產(chǎn)物富集后，再用光譜、色譜或質(zhì)譜的方法對其進行分析，由于溫度的急劇變化會引起部分產(chǎn)物發(fā)生冷凝或進一步反應(yīng)，在此基礎(chǔ)上得到的分析結(jié)果往往不能反映得到產(chǎn)物的真實信息。

如果采用熱分析技術(shù)與光譜、色譜或質(zhì)譜技術(shù)串接式聯(lián)用的方法，則可以實時地對分解產(chǎn)物進行從無到有的濃度和種類變化進行分析。