德国耐驰NETZSCH同步综合热分析仪

德国耐驰NETZSCH同步综合热分析仪 STA（DSC/DTA-TG）
 
同步热分析将热重分析 TG 与差热分析 DTA 或差示扫描量热 DSC 结合为一体，在同一次测量中利用同一样品可同步得到热重与差热信息。
 
相比单独的 TG 与/或 DSC 测试，具有如下显著优点：
 
通过一次测量，即可获取质量变化与热效应两种信息，不仅方便而节省时间，同时由于只需要更少的样品，对于样品很昂贵或难以制取的场合非常有利。

消除称重量、样品均匀性、升温速率一致性、气氛压力与流量差异等因素影响，TG 与 DTA/DSC 曲线对应性更佳。

根据某一热效应是否对应质量变化，有助于判别该热效应所对应的物化过程（如区分熔融峰、结晶峰、相变峰与分解峰、氧化峰等）。

实时跟踪样品质量随温度／时间的变化，在计算热焓时可以样品的当前实际质量（而非测量前原始质量）为依据，有利于相变热、反应热等的准确计算。

广泛应用于陶瓷、玻璃、金属、合金、矿物、催化剂、含能材料、塑胶高分子、涂料、医药、食品等各种领域。
 
测量与研究材料的如下特性：
 
DSC: 熔融、结晶、相变、反应温度与反应热、燃烧热、比热...
TG：热稳定性、分解、氧化还原、吸附解吸、游离水与结晶水含量、成分比例计算...
 
经过数十年的技术积累与不断改进，耐驰公司的高温同步热分析仪现已在范围内使用。作为DSC/DTA与TG的结合，耐驰公司的同步热分析仪符合 DSC/DTA 与 TG 测量领域的相关标准。
 
NETZSCH 同步热分析仪能够与傅立叶红外 FTIR 或气相质谱 QMS 联用，在获得 DSC/TG 数据的同时进一步对反应中的逸出气体进行检测，得到关于材料的更多信息。
 
 


同步热分析仪 STA 449 F5 Jupiter STA 449 F5 Jupiter 
集两种真正意义上的测量技术（DSC 与 TGA）于一身，拥有易于扩展的特性，用于逸出气体分析的附件，以及一套完整的软件包。

同步热分析仪 STA 449 F3 Jupiter
全新的 STA 449 F3 Jupiter 将高灵敏度的热重分析仪与真正的差示扫描量热仪结合为一体。可以配备多种多样的炉体以及 TG，TG-DTA，TG-DSC 等各类传感器，系统提供大量的升级可能，灵活适应于各类应用场合。

同步热分析仪 STA 2500 RegulusSTA 2500 Regulus 
是一款配置齐全、高度可靠的顶部装样式同步热分析仪，适合于标准的 STA 测量，温度程序灵活，性能优异。

同步热分析仪 STA 449 F1 Jupiter
随着全新的 STA 449 F1 Jupiter 的引入，耐驰公司正在创建新的标准。STA 449 F1 拥有无限制的配置灵活性的性能，适应于陶瓷，金属，塑料与复合材料等各类应用领域，覆盖 -150 ... 2000°C 的宽广温度范围。
 

 
 
德国耐驰NETZSCH同步综合热分析仪 STA（DSC/DTA-TG）

STA 应用实例 - 无机与金属领域
 
铁的相转变
STA 2500 Regulus 的高灵敏度 DTA 能够检测微弱的相转变。此外，通过自动真空装置的抽真空和充填可以得到纯净的气氛。右图显示了在 STA 上测量纯铁样品，温度范围为室温至 1600℃。在蓝色的 DTA 曲线上，744℃ 的热效应是由于材料的磁性转变所致。峰值温度为 908℃ 和 1389℃ 的吸热峰表明发生了晶型转变。起始点 1533℃ 的吸热峰则为熔融。在 TG 曲线上没有重量的变化，表明了系统具有良好的密封性，能确保惰性气氛的纯净性。
 
氧化锰的还原
氧化锰（MnO2）在化学领域常作为氧化剂使用，在电池行业则常作为电池的阴极材料。在如下的STA测量图谱中，在约 600°C 与 950°C存在两个失重台阶，是由于MnO2还原为 Mn2O3，最后变成 Mn3O4。相应的失重量 9.20% 与3.07% 与理论值吻合得非常好，反映了称重系统的高精度。在 DSC 曲线上则对应两个吸热峰，热焓分别为 432 J/g、180J/g。1200°C 的 DSC 吸热峰是一可逆的结构转变，没有对应的失重过程，在冷却过程（点划线）中相应的逆转变对应于 1148°C 的放热峰。
 
碱式硫酸铁的分解
碱式硫酸铁（Fe(OH)SO4）是合成氧化铁的基本原料，可用来作为颜料或者磁性存储介质。通常所说的铁磁流体包含超顺磁性的铁氧纳米粒子，可以作为核磁共振成像的造影剂。温度低于600°C时，根据STA-MS联用测试结果，有两步失水过程，对应于质谱曲线上质量数为18的峰。在600°C…800°C之间，有SO2和O2生成，对应于质量数64和32的峰。最终产物是Fe2O3(赤铁矿)。
 
建筑材料：石膏与石英砂混合物的相转变
石膏与石英砂经常被用于石膏与灰泥之中。本例中样品中的石膏二水合物 CaSO4*2H2O 组分在200°C之前经过两步的脱水过程，经半水合物 CaSO4*1/2H2O，最终转变成为无水石膏 CaSO4，总的吸热热焓为 122 J/g。定量分析显示样品包含 23.4% 的石膏二水合物。无水石膏在约 300°C 至 450°C 之间释放出 18.3 J/g 的热量，形成 β-CaSO4。起始温度 573°C 的吸热效应则是由于石英（晶态 SiO2）在结构上的 α→β 相转变所致。
 
合金的相图
Pt0.89Au0.1OIr0.01是一种齿科合金，通常用于镶嵌物、牙冠和搭桥。齿科合金必须具有坚固、易成形、抗腐蚀和生物相容性。测试结果显示，在升温过程中，DSC曲线（实线）上在外推起始点温度1659°C时有吸热现象，主要是熔融过程，其热焓值为88J/g。在降温过程中，DSC曲线（虚线）在起始点温度1685°C时有一放热峰（峰值温度1684°C），主要是合金的结晶过程，其热焓值为 -87J/g。在最高温度时有0.05％的失重，主要是由于挥发的开始。
 
陶瓷原材料的表征
对陶瓷原材料的 STA 测试显示了三个失重台阶。在约 250°C 以下，为吸附水的挥发。在 250°C 至 450°C 之间，观察到了有机组分的烧失，释放了 156 J/g 的能量。高岭土的脱水发生在 450°C 以上，吸热热焓为 262 J/g。质谱曲线上的 18 与 44 质量数对应于 H2O 与 CO2 的逸出。1006°C 的 DSC 放热峰（热焓 -56 J/g）是由于固相转变所致。
 
建筑材料：玻璃棉
玻璃棉常用作房屋与加热管道的隔热材料。STA 测试在约 600°C 以下显示了三个失重台阶，这些是由于吸附水的挥发与有机粘合剂的烧失所致。其中有机粘合剂的烧失对应于该温度范围内的强烈的 DSC 放热峰。玻璃化转变在 DSC 曲线上表现为 728°C 附近的台阶，比热增加 0.41J/(g*K)。950°C 的 DSC 放热峰对应于结晶效应，热焓 -287 J/g；1050°C 至 1250°C 之间的吸热效应对应于熔融，总热焓 549 J/g。700°C 以上的微量的质量变化最可能是由于杂质的氧化与挥发所致。
 
油毡的烧失
油毡作为一种建筑材料发明于1863年，常用于楼面覆盖，具有坚固等特点。通过STA在空气气氛下的测试，可揭示油毡的自然组成。150°C之前是水分的挥发，随后的 200°C 至500°C 之间多步的失重主要是亚麻子油、天然树脂、软木屑、木屑和黄麻衬底等的烧失，伴随着较大的放热效应，在该氧化过程中释放的热量达 14.5KJ/g。在 600°C…750°C 之间，主要是填充物 CaCO3 的热分解。
 
鉴别
烈性（也称RDX，T4等）在150°C 就开始升华，从热重曲线即可看出。在DSC曲线上，起始点为206°C的吸热峰，主要是样品的熔融，其热焓值为123J/g。在200°C…250°C之间，有剧烈的放热现象，并释放出1.38KJ/g的热量。该实验的样品量为2.32mg，升温速率为5K/min，气氛为合成空气。
 
γ-TiAl 的相转变
难熔合金 γ-TiAl 可通过高温和低密度耐腐蚀测试进行鉴别。一般用于航空航天领域的涡轮充电器、燃气涡轮和发动机。图中 DSC 曲线显示，在外推起始点温度 1195°C 时有一吸热效应（峰值温度为1323°C），主要是 α2 →α 相转变过程。在 1476°C（峰值温度）时，α 相向 β相转变。DSC曲线上 1528°C 时的吸热峰主要是样品的熔融过程（起始点温度：1490°C，液相线温度大约 1560°C）。在整个测试过程中，样品质量无明显变化。
 
 
一水合草酸钙
在热分析领域，经常使用一水合草酸钙（CaC2O4-H2O）验证 TGA 信号的准确性。该物质有着很高的稳定性，基本不吸潮，这使得它成为验证热天平性能的理想材料。
 
下图显示了室温至 1000℃ 温度范围内，CaC2O4-H2O 的 TGA 与 DSC 曲线。一阶段失重台阶为脱水过程，样品脱水之后转变为无水草酸钙（CaC2O4）。第二阶段失重台阶是由 CO 的释放所致，代表了从草酸钙向碳酸钙（CaCO3）的转变。在 700℃ 以上，碳酸钙分解，释放 CO2 ；残余质量为氧化钙（CaO）。实验测量到的失重量与理论值非常吻合（偏差 < 1%）。这证明了 STA 449 F5 Jupiter 热天平拥有很高的测量准确性。
 
钯的熔点
钯（Pd）在今天的最大的用途是作为催化转换器。此外，它也常被用于牙科、飞机火花塞、手术器械、电接触材料等其他领域。钯在室温下与氧无反应，但当在空气气氛下加热至 800°C 时，将生成一层非常薄的钯（II）氧化物（PdO）。此图显示了在 STA 上进行的 Pd 的测量，最高温度 1600°C。蓝色的 DSC 曲线显示了熔融过程，热焓 158 J/g，熔融起始点 1554°C。这两个值均与纯 Pd 的理论值非常接近，偏差 < 1%。绿色的 TG 曲线显示，在熔融前后未发生失重；这证明了金属的高纯度，以及系统的真空密闭性。
 
斑脱岩的热重测试
斑脱岩是一种粘土，主要由胶岭石所组成，由于其吸附能力而为人称道。该矿物材料常被应用于粘合剂，净化器等领域。本图中绿色曲线为 TG，绿色点状线为 DTG，蓝色曲线为 DSC 曲线。失重步骤（DSC 峰值温度 96℃）由水的释放所引起，随后有一 0.6% 的小的失重过程，很可能由有机杂质裂解所引起，表明材料中含有少量黄铁矿杂质。在 600℃ 以上，水从斑脱岩结构中释放出来（DTG 峰温 685℃ 与 708℃）。DSC 曲线在 969℃ 的放热峰代表了该矿物的相转变。1181℃ 的吸热峰最可能的原因是部分熔融。
 
氧化锆的粘合剂烧出
氧化锆是最常见的陶瓷材料。在加热过程中，它会经历破坏性的相转变。通过添加少量的氧化钇，可以消除这些相变，得到的材料拥有非常好的热、机械与电学特性。
 
下图的测量温度范围为室温至 1200℃，绿色曲线为 TG 曲线，在 450℃ 之前有两个小的失重过程，总失重量 3.4%，与蓝色 DSC 曲线上的 197℃、399℃ 两个放热峰很吻合。这些效应是由于陶瓷材料中粘合剂的烧出所致，热值较高，峰形较大。67℃ 附近的小的 DSC 吸热峰则由粘合剂的熔融所致。
 
 
STA 应用实例 - 有机高分子领域
 
塑料
塑料瓶、纺织纤维和薄膜（例如包装食品）是高聚物PET（聚对苯二甲酸乙二酯）最常见的应用。STA 测试结果显示，在 N2气氛下，DSC曲线在100°C之前有一台阶，主要是玻璃化转变，同时有0.35J/(g*K)的比热增大。在81°C时的吸热峰主要是松弛现象。在131°C时的放热峰主要是冷结晶过程。255°C时的吸热峰是熔融过程。在360°C之后，样品开始发生分解，伴随有79.5％的失重。
 
碳纤增强复合材料的分析
碳纤维增强高聚物（CFRP）是常用的复合材料。主要由聚合物和嵌入的碳纤维组成，具有质量轻、硬度大、稳定性强等特点，适合汽车、航空航天领域的应用。STA 的测试结果显示，在 329°C 有一吸热峰，其热焓值为 25J/g，主要是聚合物的熔融过程。在大约 480°C…620°C之间主要是聚合物的分解。在 650°C，将气氛由 N2 切换成 O2，碳纤维组分发生放热分解（失重：24.7％）。实验结束时的残余质量 0.0％ 表明样品中无其他无机填充物或者玻璃纤维。
 
橡胶炭黑含量测试 -- 良好的重现性
橡胶材料的炭黑含量在质量控制过程中非常重要。在此例中，对同一批次的橡胶混合物取三个样进行炭黑含量测试。在惰性气氛下监控其分解，当分解完成后切换至空气，测得炭黑失重比例的平均值为 0.282±0.006%，这一结果体现了 STA 2500 Regulus 的可靠性和良好的重复性。
 
OEL 涂层的升华
多层有机结构有特殊的光学与物理学性能，可用于光电设备，如有机发光二极管（OLED）。在有机多层结构中，α-NPD是一种孔状传输材料。STA 2500 Regulus 的真空密闭结构允许样品在减压条件下测试。在常压下，α-NPD 在 380℃ 开始升华（蓝色曲线），而在减压条件下，样品的升华起始温度下降，从 240℃ 就开始升华（红色曲线）。
 
香烟过滤嘴中胶囊的测试
最近，烟草行业采用一种新的技术，使香烟更具吸引力。这一技术是将一个充满调味液体的胶囊，嵌在香烟的过滤嘴里。这种胶囊可以改变烟草的味道或保持其湿润。左图给出了浸水的胶囊在 50 至 500℃ 范围内热重与质谱联用的测量结果。水的挥发有多个失重台阶（黑色的 TGA 曲线与红色的 DTG 虚线），从 MS 质量数 18 的信号可以得到确认。归功于在测量之前，天平能够快速达到稳定，这样才能检测在结合水释放之前的游离水的挥发。