熱分析實驗方案設計與曲線解析概論（簡體書）

本書主要內容涉及熱分析基本概念和常用術語，重點介紹實驗方案設計和曲線解析的基本思路。對於各種熱分析方法適用的檢測內容與範圍，各種材料的檢測分析都有實際的案例分析，包括實驗的設計、注意事項、可能出現的問題、具體的曲線解析過程。作者都是長期從事熱分析研究的專家級人才，多次在業內進行技術培訓，深諳專業讀者的需求，因而圖書所設計的內容針對性強，更實用性。熱分析方法以及該方法與其他方法的聯用廣泛應用於地質、礦產、食品、藥品、高分子材料等領域，因而本書的讀者對象為從事熱分析相關儀器的技術人員、科研人員，以及材料相關領域的研究生及科研工作者。

丁延偉，博士，中國科學技術大學理化科學實驗中心高級工程師。中國化學會化學熱力學與熱分析專業委員會委員。自2002年開始從事熱分析與吸附技術的分析測試、實驗方法研究等工作。曾獲中國分析測試協會科學技術獎（CAIA獎）二等獎。主持修訂教育行業標準《熱分析方法通則》(JY/T 0589.1～4-2019),以主要作者發表SCI論文30餘篇，著作有《熱分析基礎》。

第I部分 熱分析技術簡介 / 1 第1章 熱分析技術簡介 / 2 1.1 熱分析技術的定義及相關術語 / 2 1.1.1 定義 / 2 1.1.2 相關術語 / 3 1.2 熱分析技術的分類 / 3 1.3 常用熱分析儀器 / 5 1.4 熱分析技術的特點 / 7 1.4.1 熱分析技術的優勢 / 8 1.4.2 熱分析技術的局限性 / 10 1.5 熱分析曲線的影響因素 / 12 1.5.1 儀器因素 / 12 1.5.2 操作條件因素 / 12 1.5.3 人為因素 / 17 1.5.4 實驗室工作環境因素 / 18 1.5.5 其他影響因素 / 18 1.6 熱分析技術的應用領域 / 19 1.7 熱分析實驗方案設計簡介 / 21 1.8 熱分析曲線解析的基本原則 / 22 1.9 熱分析曲線解析步驟簡介 / 22 1.9.1 數據處理 / 22 1.9.2 標注曲線的特徵變化 / 23 1.9.3 熱分析曲線的描述 / 24 1.9.4 熱分析曲線的分析 / 24 1.9.5 熱分析曲線的規範報道 / 25 參考文獻 / 25 第II部分 熱分析實驗方案設計 / 29 第2章 熱分析實驗方法的選擇 / 30 2.1 實驗方法選擇的基本原則 / 30 2.1.1 發生較明顯質量變化過程的實驗方法選擇 / 30 2.1.2 發生較少質量變化過程的實驗方法選擇 / 31 2.2 在研究相轉變時的熱分析實驗方法選擇 / 32 2.2.1 相變簡介 / 33 2.2.2 可用於相變研究的常用熱分析技術 / 36 2.3 研究熱分解時的熱分析實驗方法選擇 / 39 2.4 特徵物理參數的測量 / 42 2.5 在確定樣品的熱處理條件時的實驗方法選擇 / 43 2.6 特殊環境下的實驗方法選擇 / 45 參考文獻 / 46 第3章 熱分析實驗條件設計 / 47 3.1 確定實驗條件的基本原則 / 47 3.1.1 試樣量/試樣形狀的選擇 / 47 3.1.2 實驗氣氛的選擇 / 48 3.1.3 溫度控制程序的選擇 / 49 3.1.4 實驗容器或支持器的選擇 / 51 3.1.5 其他實驗條件的選擇 / 53 3.1.6 控制環境下的實驗條件的選擇 / 53 3.1.7 數據采集頻率的設置 / 53 3.2 熱重法的實驗條件選擇 / 54 3.2.1 制樣 /54 3.2.2 實驗氣氛 / 55 3.2.3 溫度程序 / 55 3.2.4 坩堝 / 58 3.3 差示掃描量熱法的實驗條件選擇 / 59 3.3.1 制樣 / 60 3.3.2 實驗氣氛 / 60 3.3.3 溫度程序 / 60 3.3.4 坩堝 / 62 3.4 同步熱分析法的實驗條件選擇 / 63 3.5 熱機械分析法的實驗條件選擇 / 64 3.5.1 制樣 / 65 3.5.2 實驗氣氛 / 65 3.5.3 溫度程序 / 65 3.5.4 支持器類型 / 66 3.5.5 實驗模式 / 67 3.6 熱分析聯用技術的實驗條件設定 / 67 3.6.1 熱分析/質譜聯用技術的實驗條件設定 / 68 3.6.2 熱分析/紅外光譜聯用技術的實驗條件設定 / 70 參考文獻 / 72 第4章 典型的實驗方案設計應用實例 / 74 4.1 利用熱分析法確定物質的熱穩定性的實驗方案設計 / 74 4.1.1 確定化學品的熱穩定性和含水量 / 74 4.1.2 確定複合材料在不同條件下的熱穩定性 / 75 4.1.3 利用熱分析法研究藥物的熱穩定性 / 76 4.2 利用熱分析法確定物質組成的實驗方案設計 / 76 4.2.1 利用熱分析法確定超導化合物中氧含量 / 77 4.2.2 利用熱分析法確定催化劑的組成 / 78 4.2.3 利用熱分析法確定複合材料的組成 / 78 4.2.4 利用熱分析法確定聚合物的組成 / 80 4.3 利用熱分析法確定熱分解機理的實驗方案設計 / 80 4.3.1 利用熱分析法確定簡單體系的熱分解機理 / 81 4.3.2 利用熱分析法確定複雜體系的熱分解機理 / 81 4.4 利用熱分析法研究物質的相變的實驗方案設計 / 84 4.4.1 利用熱分析法研究物質的熔融過程 / 84 4.4.2 利用熱分析法研究物質的固相相變 / 86 4.5 利用熱分析法測量物質的玻璃化轉變的實驗方案設計 / 88 4.5.1 利用DSC或DTA法測量物質的玻璃化轉變 / 88 4.5.2 利用TMA或DIL法測量物質的玻璃化轉變 / 89 4.5.3 利用DMA法測量物質的玻璃化轉變 / 90 4.5.4 利用介電熱分析法測量物質的玻璃化轉變 / 91 參考文獻 / 92 第III部分 熱分析曲線解析 / 95 第5章 熱分析曲線解析的原則 / 96 5.1 熱分析曲線解析的科學性 / 96 5.1.1 根據不同的熱分析技術確定可能解決的科學問題 / 96 5.1.2 結合樣品結構信息解析曲線中的特徵信息 / 98 5.1.3 科學解釋曲線中的微弱變化信息 / 99 5.2 熱分析曲線解析的規範性 / 101 5.2.1 熱分析曲線作圖的規範性 / 101 5.2.2 規範確定熱分析曲線中的特徵物理量 / 104 5.2.3 規範描述熱分析曲線所對應的實驗條件以及所得到的信息 / 108 5.3 熱分析曲線解析的準確性 / 108 5.3.1 熱分析曲線所對應的數據的準確性 / 109 5.3.2 結合樣品信息準確解析熱分析曲線 / 112 5.3.3 結合實驗方法自身特點準確解析熱分析曲線 / 114 5.3.4 結合實驗條件準確解析熱分析曲線 / 115 5.4 熱分析曲線解析的合理性 / 116 5.4.1 正確看待實驗過程中儀器自身對曲線的影響 / 116 5.4.2 結合樣品的實際信息對曲線進行合理的解析 / 121 5.4.3 結合實驗條件對曲線進行合理的解析 / 123 5.5 熱分析曲線解析的全面性 / 124 5.5.1 結合熱分析聯用技術盡可能全面地解析熱分析曲線 / 124 5.5.2 結合其他分析手段盡可能全面地解析熱分析曲線 / 138 參考文獻 / 145 第6章 熱分析曲線的解析過程 / 147 6.1 概述 / 147 6.2 熱分析曲線的獲取 / 147 6.2.1 與熱重實驗相關的信息 / 147 6.2.2 與差示掃描量熱實驗相關的信息 / 150 6.2.3 與熱重-差示掃描量熱實驗和熱重-差熱分析實驗相關的信息 / 151 6.2.4 與熱膨脹實驗相關的信息 / 151 6.2.5 與靜態熱機械分析實驗相關的信息 / 151 6.2.6 與動態熱機械分析實驗相關的信息 / 152 6.2.7 與熱分析聯用實驗相關的信息 / 154 6.3 實驗數據的導入與基本分析 / 154 6.3.1 實驗數據的導入 / 154 6.3.2 實驗數據的作圖 / 154 6.3.3 曲線的簡單數學處理 / 156 6.3.4 曲線中特徵變化的分析 / 159 6.3.5 軟件中多條曲線的對比與分析 / 161 6.3.6 數據的導出 / 161 6.4 在作圖軟件中對熱分析曲線的作圖和進一步分析 / 162 6.4.1 在Origin軟件中導入實驗數據 / 162 6.4.2 在Origin軟件中作圖 / 165 6.4.3 在Origin軟件中對曲線進行簡單的數學處理 / 167 6.4.4 在Origin軟件中對多條曲線進行對比 / 168 6.5 熱分析曲線的描述 / 170 6.5.1 樣品信息的描述 / 170 6.5.2 實驗條件的描述 / 172 6.5.3 熱分析曲線的描述 / 173 6.6 熱分析曲線的初步解析 / 180 6.6.1 結合樣品信息解釋曲線中發生的變化 / 180 6.6.2 結合實驗條件信息解釋曲線中發生的變化 / 183 6.7 熱分析曲線的綜合解析 / 184 6.7.1 通過多種分析技術對熱分析曲線進行互補分析 / 184 6.7.2 通過多種分析技術對熱分析曲線進行驗證分析 / 189 6.7.3 通過外推方法對熱分析曲線進行分析 / 190 6.8 撰寫實驗報告或科研論文 / 193 6.9 必要時建立並完善熱分析曲線數據庫 / 194 參考文獻 / 194 第7章 典型的熱分析實驗曲線解析舉例 / 196 7.1 熱重曲線的解析實例 / 196 7.1.1 由熱重曲線確定樣品的組成 / 197 7.1.2 利用熱重曲線確定物質的結構式 / 204 7.1.3 由熱重曲線確定分解機理 / 205 7.1.4 由熱重曲線確定熱穩定性 / 212 7.1.5 特殊應用領域中的熱重曲線解析 / 217 7.2 差示掃描量熱曲線的解析實例 / 218 7.2.1 由DSC曲線確定物質的狀態變化 / 219 7.2.2 由DSC曲線確定物質的結晶度 / 227 7.2.3 由DSC曲線確定物質的比熱容 / 229 7.2.4 由DSC曲線確定藥物和小分子有機物的純度 / 231 7.2.5 由DSC曲線確定物質的熱導率 / 235 7.2.6 由DSC曲線確定物質的相圖 / 237 7.2.7 由DSC曲線確定物質的組成 / 239 7.2.8 由DSC曲線確定物質的反應條件 / 241 7.2.9 由DSC曲線比較不同工藝下得到的材料的差異 / 242 7.3 同步熱分析曲線的解析實例 / 242 7.3.1 TG-DTA和TG-DSC曲線的基本解析 / 243 7.3.2 分析物質的熱分解過程 / 244 7.3.3 由TG-DSC曲線確定添加組分對物質熱分解過程的影響 / 245 7.3.4 確定材料的熱處理工藝時的曲線分析 / 246 7.4 熱膨脹曲線的解析實例 / 247 7.4.1 通過熱膨脹曲線研究材料的相變 / 249 7.4.2 通過熱膨脹曲線確定陶瓷材料的燒結條件 / 250 7.5 熱機械分析曲線的解析實例 / 252 7.5.1 不同操作模式下得到的TMA曲線 / 252 7.5.2 TMA曲線中特徵量的確定 / 254 7.5.3 TMA曲線的應用實例 / 255 7.6 動態熱機械分析曲線的解析實例 / 255 7.6.1 由DMA曲線研究高聚物的玻璃化轉變 / 257 7.6.2 由DMA曲線研究熱固性材料的固化程度和測定凝膠點 / 260 7.6.3 由DMA曲線研究聚合物的相容性 / 261 7.6.4 由DMA曲線研究聚合物的阻尼性能 / 262 7.6.5 由DMA曲線測量高聚物的次級轉變及低溫性能研究 / 262 7.6.6 由DMA曲線測量高聚物的耐老化性能研究 / 264 7.7 由熱分析聯用技術所得曲線的解析實例 / 265 7.7.1 熱重/紅外光譜聯用曲線的解析 / 265 7.7.2 熱重/質譜聯用曲線的解析 / 271 7.7.3 其他聯用技術得到的曲線的解析 / 276 參考文獻 / 277 第IV部分 與熱分析實驗方案設計和曲線解析相關的常見問題分析/ 279 第8章 與熱分析實驗方案設計相關的常見問題分析 / 280 8.1 與實驗方法選擇相關的常見問題分析 / 280 8.1.1 對實驗方法缺乏瞭解 / 280 8.1.2 實驗目的不清晰 / 287 8.2 與實驗條件選擇相關的常見問題分析 / 288 8.2.1 與樣品處理方法相關的問題 / 288 8.2.2 與溫度控制程序相關的問題 / 289 8.2.3 與實驗氣氛相關的問題 / 292 8.2.4 與其他實驗條件相關的問題 / 296 參考文獻 / 296 第9章 與熱分析曲線解析相關的常見問題分析 / 297 9.1 儀器狀態的判斷 / 297 9.1.1 曲線中出現與樣品和實驗條件無關的異常峰 / 298 9.1.2 曲線中出現與樣品和實驗條件無關的異常漂移 / 299 9.1.3 曲線中未出現與樣品和實驗條件有關的變化信息 / 300 9.2 基線的合理確定 / 300 9.2.1 熱分析中基線的定義及分類 / 300 9.2.2 曲線解析中與基線相關的主要問題 / 303 9.3 曲線的規範表示 / 306 9.3.1 熱分析曲線的規範表示方法 / 306 9.3.2 熱分析曲線的規範表示中的常見問題分析 / 307 9.4 曲線的合理描述 / 312 9.5 曲線中異常的波動現象 / 312 9.6 由於樣品自身熱效應而引起的曲線變形 / 314 9.7 平滑 / 317