同步熱分析技術(shù)本科實(shí)驗(yàn)教學(xué)探索與實(shí)踐

鄒函君， 王桂文， 張慧娟， 公祥南

(重慶大學(xué) 分析測試中心， 重慶 400030)

同步熱分析技術(shù)本科實(shí)驗(yàn)教學(xué)探索與實(shí)踐

鄒函君， 王桂文， 張慧娟， 公祥南

(重慶大學(xué) 分析測試中心， 重慶 400030)

將“熱重—差熱同步熱分析儀的應(yīng)用”引入本科實(shí)驗(yàn)教學(xué)，以煤為研究對象，通過小組化教學(xué)，進(jìn)行實(shí)際操作訓(xùn)練，并對各組實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行匯總和分析處理，實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果良好，學(xué)生在有限的時(shí)間內(nèi)完成了對整個(gè)實(shí)驗(yàn)條件的考察，不僅增強(qiáng)了團(tuán)隊(duì)合作能力，還提高了學(xué)生獨(dú)立分析問題和解決問題的能力。

同步熱分析(STA)； 實(shí)驗(yàn)教學(xué)； 煤

同步熱分析(simultaneous thermal analysis，STA)是一種同時(shí)測量質(zhì)量/熱流量隨溫度變化的熱分析技術(shù)，具有分析快速、操作簡單、樣品用量少、精確度高等特點(diǎn)。近年來人們利用STA技術(shù)來表征材料的物理性質(zhì)，廣泛應(yīng)用于塑料、建筑材料、玻璃、礦物質(zhì)、藥物、食品等各個(gè)領(lǐng)域的研究，成為許多生產(chǎn)部門和科研單位不可或缺的實(shí)驗(yàn)手段[1-6]。將同步熱分析技術(shù)應(yīng)用于理工科學(xué)生的實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，能提升學(xué)生的實(shí)際動(dòng)手操作能力，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣；同時(shí)該儀器本身具有操作簡便、實(shí)用性強(qiáng)的特點(diǎn)，作為熱分析應(yīng)用技術(shù)的一門課程是非常有必要的[7-10]。然而，目前很多學(xué)校大型儀器實(shí)驗(yàn)教學(xué)中由于儀器數(shù)量、學(xué)時(shí)少，以及熱分析實(shí)驗(yàn)時(shí)間較長等原因，存在許多教學(xué)演示現(xiàn)象，大部分學(xué)生只能停留在對儀器的粗淺認(rèn)識上，缺乏理論與實(shí)際的充分結(jié)合，影響了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，不利于創(chuàng)新型人才的培養(yǎng)。因此結(jié)合目前科學(xué)研究熱點(diǎn)和生產(chǎn)生活實(shí)際，將“熱重—差熱同步熱分析應(yīng)用技術(shù)”作為我校物理專業(yè)大三年級本科生實(shí)驗(yàn)教學(xué)課堂的一項(xiàng)基本內(nèi)容，使學(xué)生能夠親自動(dòng)手操作實(shí)驗(yàn)儀器，有利于培養(yǎng)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，提高科研實(shí)踐能力。

1 煤的熱分析實(shí)驗(yàn)研究

1.1 實(shí)驗(yàn)?zāi)康?/p>

(1) 了解TGA/DSC1/1600LF同步熱分析儀的基本原理、結(jié)構(gòu)及其應(yīng)用；

(2) 掌握煤樣品熱分析的測試技術(shù)，學(xué)習(xí)在不同的實(shí)驗(yàn)條件下改變不同的實(shí)驗(yàn)參數(shù)；

(3) 學(xué)會(huì)用Origin、Excel等軟件進(jìn)行匯總并處理數(shù)據(jù)的方法。

1.2 實(shí)驗(yàn)原理

TGA是指在程序溫度(升溫/降溫/恒溫)下觀察樣品的質(zhì)量隨溫度、時(shí)間變化的過程，從而獲得樣品的失重溫度(起始點(diǎn)、終止點(diǎn)和峰值等)、失重比例和分解殘留等相關(guān)的信息；DSC是指在程序溫度(升溫/降溫/恒溫)下，觀察樣品的熱流隨溫度、時(shí)間變化的過程，由此獲得樣品在程序溫度變化過程中的吸熱、放熱和比熱變化等相關(guān)的熱效應(yīng)。同步熱分析是將TGA/DTA與DSC連用，通過一次測試同時(shí)得到樣品的熱重和差熱的信號，從而進(jìn)一步分析樣品的物理化學(xué)性質(zhì)，利于判別樣品的熔融峰、相變峰、氧化峰或分解峰。與單獨(dú)的TGA或DSC相比，連用有曲線對應(yīng)更好、校準(zhǔn)溫度更準(zhǔn)確、耐腐蝕性好、稱量更準(zhǔn)確等優(yōu)點(diǎn)，廣泛用于橡膠、塑料、涂料、醫(yī)藥、食品、金屬與復(fù)合材料等各領(lǐng)域，用于研究材料的分解、氧化、還原、熔融與結(jié)晶、相轉(zhuǎn)變和玻璃化轉(zhuǎn)變等過程[11-13]。

1.3 實(shí)驗(yàn)器材

TGA/DSC1/1600LF同步熱分析儀一臺(tái)；氮?dú)狻⒖諝怃撈垦b，純度99.99%；鑷子一只；藥匙一只，坩堝若干；煤樣品適量。

1.4 實(shí)驗(yàn)步驟

實(shí)驗(yàn)流程見圖1。

圖1 TGA/DSC測試流程圖

1.5 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

本實(shí)驗(yàn)教學(xué)擬在不同的反應(yīng)條件下測試煤的TGA/DSC曲線變化，探究最佳的測試條件。由于整個(gè)探究實(shí)驗(yàn)過程花費(fèi)時(shí)間較長，因此采用“分小組測試，綜合分析數(shù)據(jù)”的教學(xué)模式，將學(xué)生分為15個(gè)組，每組約10～12人，每個(gè)小組負(fù)責(zé)完成一個(gè)條件下的煤的熱重—差熱實(shí)驗(yàn)樣品的測試，最后學(xué)生對15組數(shù)據(jù)進(jìn)行匯總并分析處理，得出不同條件對煤的熱重—差熱曲線的影響。這樣的實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式，既能保證在有限的時(shí)間內(nèi)完成教學(xué)任務(wù)，還能讓學(xué)生學(xué)習(xí)掌握綜合性的實(shí)驗(yàn)分析測試技術(shù)。

2 結(jié)果與討論

2.1 樣品質(zhì)量對實(shí)驗(yàn)結(jié)果的影響

本組實(shí)驗(yàn)由5個(gè)小組的學(xué)生分別進(jìn)行測試，然后把數(shù)據(jù)進(jìn)行整合分析，得到不同質(zhì)量下的煤的質(zhì)量和熱流隨溫度變化的曲線，見圖2。可以看出在加熱速率和氣體流量一定的情況下，隨著煤質(zhì)量的增加失重曲線向低溫方向偏移；同時(shí)熱流曲線的峰寬化，峰值也明顯增加。質(zhì)量太小曲線變化不太明顯，較大的質(zhì)量有助于檢測微弱的質(zhì)量損失或熱效應(yīng)。但當(dāng)樣品質(zhì)量為12 mg時(shí)，熱流曲線的放熱峰向高溫方向有所移動(dòng)，這可能是由于樣品質(zhì)量過大，反應(yīng)不夠充分所致，由此得出樣品的質(zhì)量一般選為5～8 mg左右為宜。

圖2 不同樣品質(zhì)量下煤的質(zhì)量和熱流曲線變化

2.2 升溫速率對實(shí)驗(yàn)結(jié)果的影響

本組實(shí)驗(yàn)由5個(gè)小組的學(xué)生分別進(jìn)行測試，然后把數(shù)據(jù)進(jìn)行整合分析，得到不同反應(yīng)速率下的煤的質(zhì)量和熱流隨溫度變化的曲線圖。圖3中可以看出，在樣品質(zhì)量和氣體流量一定的情況下，隨著加熱速率越快，煤的失重臺(tái)階越來越寬，失重曲線向高溫方向偏移；同時(shí)熱流曲線的梯度也變寬，放熱峰明顯向高溫方向移動(dòng)，峰值明顯增加。這說明較低的升溫速率有助于分離臨近的熱效應(yīng)以及失重臺(tái)階，而較高的升溫速率有利于檢測微弱的熱效應(yīng)，并且節(jié)省時(shí)間。由此得出最佳的反應(yīng)速率為5～10 K/min。

圖3 不同反應(yīng)速率下煤的質(zhì)量和熱流曲線變化

2.3 氣體流量對實(shí)驗(yàn)結(jié)果的影響

本組實(shí)驗(yàn)由5個(gè)小組的學(xué)生分別進(jìn)行測試，然后把數(shù)據(jù)進(jìn)行整合分析，得到不同氣體流量下的煤的質(zhì)量和熱流隨溫度變化的曲線圖。圖4中可以看出，在樣品質(zhì)量和反應(yīng)速率一定的情況下，隨著氣體流量的增加，煤的失重臺(tái)階稍微變窄，失重曲線向低溫方向偏移；同時(shí)熱流曲線的梯度也逐漸變窄，放熱峰逐漸向低溫方向移動(dòng)，峰值逐漸增加，但當(dāng)流量增到70 mL/min時(shí)，樣品的放熱峰位置變化不大，但峰值反而降低了。這說明氣體流量過大或過小都不利于煤的充分燃燒，由此得出最佳的氣體流量為50 mL/min。

圖4 不同反應(yīng)氣體流量下煤的質(zhì)量和熱流曲線變化

3 實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果評價(jià)

本實(shí)驗(yàn)教學(xué)取得了較好的效果。由于實(shí)驗(yàn)環(huán)境、時(shí)間和參與實(shí)驗(yàn)學(xué)生的差別，每組實(shí)驗(yàn)結(jié)果有一定的誤差，但只要將每個(gè)實(shí)驗(yàn)環(huán)境控制好，可將誤差控制在一定的范圍內(nèi)，得到最佳的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。歸納起來主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：

(1) 學(xué)習(xí)了TGA/DSC1/1600LF型同步熱分析儀的基本構(gòu)造和工作原理；

(2) 對熱分析實(shí)驗(yàn)有了初步的認(rèn)識和實(shí)踐，熟練掌握了儀器的基本操作規(guī)程；

(3) 學(xué)會(huì)了煤樣品的測試條件及數(shù)據(jù)分析方法，掌握用Origin、Excel等相關(guān)數(shù)據(jù)軟件的作圖手段；

(4) 通過對數(shù)據(jù)進(jìn)行整合分析，鍛煉了學(xué)生的合作意識，培養(yǎng)了學(xué)生的科學(xué)素養(yǎng)；

(5) 對儀器更充分的使用和進(jìn)一步的開發(fā)有一定的指導(dǎo)作用，為實(shí)驗(yàn)教學(xué)的深入開展奠定了一定的基礎(chǔ)。

References)

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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

重慶市重點(diǎn)教改項(xiàng)目(151003)；重慶市重點(diǎn)教改項(xiàng)目(162007)

鄒函君(1989—)，女，四川廣元，碩士，工程師，主要從事實(shí)驗(yàn)室樣品的分析測試、儀器維護(hù)和保養(yǎng)等工作以及分析化學(xué)方面的研究.

E-mail：zouhanjun17@cqu.edu.cn

G642.0

A

1002-4956(2017)06-0165-03