同步热分析技术本科实验教学探索与实践

邹函君， 王桂文， 张慧娟， 公祥南

(重庆大学 分析测试中心， 重庆 400030)

同步热分析技术本科实验教学探索与实践

邹函君， 王桂文， 张慧娟， 公祥南

(重庆大学 分析测试中心， 重庆 400030)

将“热重—差热同步热分析仪的应用”引入本科实验教学，以煤为研究对象，通过小组化教学，进行实际操作训练，并对各组实验数据进行汇总和分析处理，实验教学效果良好，学生在有限的时间内完成了对整个实验条件的考察，不仅增强了团队合作能力，还提高了学生独立分析问题和解决问题的能力。

同步热分析(STA)； 实验教学； 煤

同步热分析(simultaneous thermal analysis，STA)是一种同时测量质量/热流量随温度变化的热分析技术，具有分析快速、操作简单、样品用量少、精确度高等特点。近年来人们利用STA技术来表征材料的物理性质，广泛应用于塑料、建筑材料、玻璃、矿物质、药物、食品等各个领域的研究，成为许多生产部门和科研单位不可或缺的实验手段[1-6]。将同步热分析技术应用于理工科学生的实验教学中，能提升学生的实际动手操作能力，激发学生的学习兴趣；同时该仪器本身具有操作简便、实用性强的特点，作为热分析应用技术的一门课程是非常有必要的[7-10]。然而，目前很多学校大型仪器实验教学中由于仪器数量、学时少，以及热分析实验时间较长等原因，存在许多教学演示现象，大部分学生只能停留在对仪器的粗浅认识上，缺乏理论与实际的充分结合，影响了学生的学习兴趣，不利于创新型人才的培养。因此结合目前科学研究热点和生产生活实际，将“热重—差热同步热分析应用技术”作为我校物理专业大三年级本科生实验教学课堂的一项基本内容，使学生能够亲自动手操作实验仪器，有利于培养学生的学习兴趣，提高科研实践能力。

1 煤的热分析实验研究

1.1 实验目的

(1) 了解TGA/DSC1/1600LF同步热分析仪的基本原理、结构及其应用；

(2) 掌握煤样品热分析的测试技术，学习在不同的实验条件下改变不同的实验参数；

(3) 学会用Origin、Excel等软件进行汇总并处理数据的方法。

1.2 实验原理

TGA是指在程序温度(升温/降温/恒温)下观察样品的质量随温度、时间变化的过程，从而获得样品的失重温度(起始点、终止点和峰值等)、失重比例和分解残留等相关的信息；DSC是指在程序温度(升温/降温/恒温)下，观察样品的热流随温度、时间变化的过程，由此获得样品在程序温度变化过程中的吸热、放热和比热变化等相关的热效应。同步热分析是将TGA/DTA与DSC连用，通过一次测试同时得到样品的热重和差热的信号，从而进一步分析样品的物理化学性质，利于判别样品的熔融峰、相变峰、氧化峰或分解峰。与单独的TGA或DSC相比，连用有曲线对应更好、校准温度更准确、耐腐蚀性好、称量更准确等优点，广泛用于橡胶、塑料、涂料、医药、食品、金属与复合材料等各领域，用于研究材料的分解、氧化、还原、熔融与结晶、相转变和玻璃化转变等过程[11-13]。

1.3 实验器材

TGA/DSC1/1600LF同步热分析仪一台；氮气、空气钢瓶装，纯度99.99%；镊子一只；药匙一只，坩埚若干；煤样品适量。

1.4 实验步骤

实验流程见图1。

图1 TGA/DSC测试流程图

1.5 实验设计

本实验教学拟在不同的反应条件下测试煤的TGA/DSC曲线变化，探究最佳的测试条件。由于整个探究实验过程花费时间较长，因此采用“分小组测试，综合分析数据”的教学模式，将学生分为15个组，每组约10～12人，每个小组负责完成一个条件下的煤的热重—差热实验样品的测试，最后学生对15组数据进行汇总并分析处理，得出不同条件对煤的热重—差热曲线的影响。这样的实验教学模式，既能保证在有限的时间内完成教学任务，还能让学生学习掌握综合性的实验分析测试技术。

2 结果与讨论

2.1 样品质量对实验结果的影响

本组实验由5个小组的学生分别进行测试，然后把数据进行整合分析，得到不同质量下的煤的质量和热流随温度变化的曲线，见图2。可以看出在加热速率和气体流量一定的情况下，随着煤质量的增加失重曲线向低温方向偏移；同时热流曲线的峰宽化，峰值也明显增加。质量太小曲线变化不太明显，较大的质量有助于检测微弱的质量损失或热效应。但当样品质量为12 mg时，热流曲线的放热峰向高温方向有所移动，这可能是由于样品质量过大，反应不够充分所致，由此得出样品的质量一般选为5～8 mg左右为宜。

图2 不同样品质量下煤的质量和热流曲线变化

2.2 升温速率对实验结果的影响

本组实验由5个小组的学生分别进行测试，然后把数据进行整合分析，得到不同反应速率下的煤的质量和热流随温度变化的曲线图。图3中可以看出，在样品质量和气体流量一定的情况下，随着加热速率越快，煤的失重台阶越来越宽，失重曲线向高温方向偏移；同时热流曲线的梯度也变宽，放热峰明显向高温方向移动，峰值明显增加。这说明较低的升温速率有助于分离临近的热效应以及失重台阶，而较高的升温速率有利于检测微弱的热效应，并且节省时间。由此得出最佳的反应速率为5～10 K/min。

图3 不同反应速率下煤的质量和热流曲线变化

2.3 气体流量对实验结果的影响

本组实验由5个小组的学生分别进行测试，然后把数据进行整合分析，得到不同气体流量下的煤的质量和热流随温度变化的曲线图。图4中可以看出，在样品质量和反应速率一定的情况下，随着气体流量的增加，煤的失重台阶稍微变窄，失重曲线向低温方向偏移；同时热流曲线的梯度也逐渐变窄，放热峰逐渐向低温方向移动，峰值逐渐增加，但当流量增到70 mL/min时，样品的放热峰位置变化不大，但峰值反而降低了。这说明气体流量过大或过小都不利于煤的充分燃烧，由此得出最佳的气体流量为50 mL/min。

图4 不同反应气体流量下煤的质量和热流曲线变化

3 实验教学效果评价

本实验教学取得了较好的效果。由于实验环境、时间和参与实验学生的差别，每组实验结果有一定的误差，但只要将每个实验环境控制好，可将误差控制在一定的范围内，得到最佳的实验结果。归纳起来主要体现在以下几个方面：

(1) 学习了TGA/DSC1/1600LF型同步热分析仪的基本构造和工作原理；

(2) 对热分析实验有了初步的认识和实践，熟练掌握了仪器的基本操作规程；

(3) 学会了煤样品的测试条件及数据分析方法，掌握用Origin、Excel等相关数据软件的作图手段；

(4) 通过对数据进行整合分析，锻炼了学生的合作意识，培养了学生的科学素养；

(5) 对仪器更充分的使用和进一步的开发有一定的指导作用，为实验教学的深入开展奠定了一定的基础。

References)

[1] Yonnathan Osorio Pérez, Liliam Alexandra Palomeque Forero, Diana Vanessa Cristiano Torres, et al. Brønsted acid site number evaluation using isopropylamine decomposition on Y-zeolite contaminated with vanadium in a simultaneous DSC-TGA analyzer[J]. Thermochimica Acta, 2008, 470(1/2) : 36-39.

[2] Monica Sorescu, Xu Tianhong, Lucian Diamandescu. Mechanochemical synthesis and characterization of xIn2O3_(1-x)α-Fe2O3 nanostructure system[J].J Mater Sci,2011:46: 2350-2358.

[3] Lara Febrero,Enrique Granada,Carmen Pe′rez,et al. Characterisation and comparison of biomass ashes with different thermal histories using TG-DSC[J].J Therm Anal Calorim,2014,118:669-680.

[4] 袁泽红, 许青. STA449F3型同步热分析仪的维护和购置[J]. 分析仪器, 2015(5):81.

[5] Omez G I,Otazo E M, Hern_andez H ,et al. Thermal degradation study of PVA derivative with pendant phenylthionecarbamate groups by DSC/TGA and GC/MS[J]. Polymer Degradation and Stability,2015,112:132-136.

[6] Brandenburg A, Wappler E, Kita J, et al. Miniaturized ceramic DSC device with strain gauge-based massdetection—First steps to realize a fully integrated DSC/TGA device[J].Sensors and Actuators A: Physical,2016,241:145-151.

[7] 于欣欣,张利利,戴鹏,等.综合热分析仪在本科生实验教学中的应用[J].大学物理实验, 2015,28(4): 24-26.

[8] 许新华,吴梅芬,肖寒霜.差热分析装置改进及在物理化学实验教学中的应用[J].实验技术与管理,2016,33(1):67-71.

[9] 赵慧平,陈嵘.光催化与现代测试技术应用于物理化学实验的探索:以锑掺杂氧化铋的制备及光催化性能测试为例[J].化学教育,2016,37(10):35-39.

[10] 张远方,陈佳.TG209F3热重分析仪的故障分析与维护[J].分析仪器,2013(5):55-58.

[11] 李海燕,徐颖.热重-差热联用仪的特点和维护[J].分析仪器,2011(6):83-86.

[12] 蔡燕燕,戴燕,谭卫红.同步热分析联用仪器的特点和维护[C].武汉：中国化学会第十六届化学热力学和热分析学术会议,2014.

[13] 王易君,史光梅.关于同步热分析仪自校准测试项目的探讨[J].计量与测试技术,2016,43(5): 62-66.

Exploration and practice on simultaneous thermal analysis technology in undergraduate experimental teaching

Zou Hanjun, Wang Guiwen, Zhang Huijuan, Gong Xiangnan

(Analytical and Testing Center, Chongqing University, Chongqing 400030, China)

It’s quite necessary that the application of TGA/DSC simultaneous thermal analysis is introduced into the teaching of undergraduate experiment. Taking the coal as the object, the course is in actual practice by group, including collecting and analyzing the experimental data. The whole experiment is finished in limited time, and the teaching effect is good. It can not only enhance students’ team-work ability, but also improve the ability to analyze and solve problems.

simultaneous thermal analysis(STA); experimental teaching; coal

10.16791/j.cnki.sjg.2017.06.041

2016-11-19 修改日期：2017-02-17

重庆市重点教改项目(151003)；重庆市重点教改项目(162007)

邹函君(1989—)，女，四川广元，硕士，工程师，主要从事实验室样品的分析测试、仪器维护和保养等工作以及分析化学方面的研究.

E-mail：zouhanjun17@cqu.edu.cn

G642.0

A

1002-4956(2017)06-0165-03