热分析谱图综合解析(最新版-修订)
36页1、热分析谱图综合解析及在高分子材料研究中的应用,DSC TGA,固化工艺及固化反应动力学,固化(聚合)动力学基础 固化反应是否能够进行由固化反应的表观活化能来决定,表观活化能的大小直观反映固化反应的难易程度。 用DSC曲线进行动力学分析,首先要遵循以下几点假设: (1)放热曲线总面积正比于固化反应总放热量。 (2)固化过程的反应速率与热流速率成正比。 H代表整个固化反应的放热量,dH/dt为热流速率,d/dt为固化反应速率。 (3)反应速率方程可用下式表示,其中为固化反应程度,f()为的函数,其形式由固化机理决定,k (T)为反应速率常数,形式由Arrhenius方程决定。,固化模型:n级反应和自催化反应类型 n级反应: 自催化反应: m和n为反应级数,k1和k2是具有不同活化能和指前因子的反应速率常数。 对等式两边进行微分,取T=TP,这时, 得到下式:,Kissinger方程,与 无关,其值近似等于1,则上式简化为: 对该式两边取对数,得到最终的Kissinger方程: 式中, 升温速率,K/min; Tp峰顶温度,K; AArrhenius指前因子,1/s; Ek表观活化能,J/m
2、ol; R理想气体常数,8.314 Jmol-1K-1; f()转化率(或称作固化度)的函数。,Kissinger方法是利用微分法对热分析曲线进行动力学分析的方法,利用热分析曲线的峰值温度Tp与升温速率的关系。 按Kissinger公式以不同升温速率得到DSC曲线,找出相应的峰值温度,然后对1/Tp作线性回归,可得到一条直线,由直线斜率求出表观活化能Ek,从截距求得指前因子A。 A也可以通过下式进行计算:,Crane方程:固化反应级数,Ozawa法:避开了反应机理函数直接求出E值,避免了因反应机理函数不同可能带来的误差。 根据Ozawa公式对ln对1/Tp作线性回归,从斜率可求出表观活化能Eo。,Ozawa方程:反应活化能,利用了DSC曲线的峰值温度TP与升温速率的关系,当E/(nR)2Tp,作ln-1/Tp线性回归,得斜率为-E/(nR),从而可以计算出反应级数。,固化体系动态DSC曲线分析,不同升温速率下的DSC曲线,固化温度,按照Kissinger和Ozawa方程,分别以- 对1/Tp和ln对1/Tp作线性回归,求得回归方程以及相关系数,由直线斜率求出表观活化能Ek和E0,从截距
3、求得指前因子A。通过Crane法,可以求得固化反应级数n。,Kissinger法和Ozawa法求反应活化能的线性回归图,表观动力学参数计算结果EK 52.46 kJ/mol,E0 57.05 kJ/mol,反应级数0.991。,等温DSC曲线,热分解动力学,Includes isothermal and constant heating rate methods. Constant heating rate method is the fastest. Ultimate benefit obtained in Life-Time plots. Calculates Activation energy & conversion curves Ultimate benefit is predictive curves “Lifetime Plots”,Kinetic Analysis,The rate at which a kinetic process proceeds depends not only on the temperature the specimen is at, but
4、 also the time it has spent at that temperature. Typically kinetic analysis is concerned with obtaining parameters such as activation energy (Ea), reaction order (n), etc.,TGA Kinetics Example,Weight (%),TGA Kinetics - Heating Rate vs. Temperature,Activation Energy (Ea) Slope,TGA Kinetics - Estimated Lifetime,案例1 环氧树脂热降解机理,TGA曲线综合解析,空气中失重分两个阶段。第一阶段到430C,失重47% 第二阶段失重快于第一阶段,完全失重,100 80 60 40 20 0,100 200 300 400 500 600 700,12.5C/min 10C/min 7.5C/min 5C/min 2.5C/min,Weight (%),Temperature (C),Stat
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