同步熱分析(STA,如TG-DSC/DTA聯用)可同時獲取樣品的質量變化(TG)與熱效應(DSC/DTA)信息,但復雜體系(如多組分混合物、反應中間體生成)的數據解析需結合熱力學原理與實驗設計優化。以下從數據預處理、特征峰識別、多曲線關聯分析三方面闡述解析策略。
一、數據預處理:消除噪聲與基線漂移
平滑濾波
采用Savitzky-Golay算法對TG-DSC曲線進行平滑處理,窗口寬度需根據數據點密度選擇(通常5-15點),避免過度平滑導致特征峰失真。例如,高分子材料熱分解時,微小質量損失臺階可能被噪聲掩蓋,平滑后可清晰識別。
基線校正
TG基線:通過線性或多項式擬合扣除空白坩堝(如Al?O?)的漂移,尤其關注高溫區(>500℃)因儀器熱膨脹導致的基線傾斜。
DSC基線:采用切線法或對稱基線法校正熔融、結晶等相變峰的基線,確保焓變計算準確。例如,金屬合金的固相轉變峰需精確扣除背景熱流。
二、特征峰識別:結合熱力學參數定位關鍵事件
TG曲線分階段解析
將質量變化曲線劃分為脫水、分解、氧化等階段,通過一階導數(DTG)確定各階段速率峰值溫度(Tp)。例如,藥物多晶型熱分解可能呈現雙峰DTG曲線,分別對應不同晶型的轉變。
DSC峰與TG事件的關聯
吸熱峰:常對應熔融、升華或分解反應(如碳酸鹽分解吸熱)。
放熱峰:可能為氧化、結晶或聚合反應(如高分子材料交聯放熱)。
同步分析:當DSC放熱峰與TG質量驟降重疊時,提示氧化燃燒反應(如有機物燃燒生成CO?和H?O)。
三、多曲線關聯分析:揭示反應機理與動力學
質量-熱流同步驗證
若TG顯示質量損失但DSC無熱效應,可能為物理吸附水脫除;若兩者均顯著變化,則表明化學反應(如熱分解)發生。例如,鋰離子電池正極材料(如LiCoO?)在高溫下分解放氧,TG質量損失與DSC強放熱峰同步出現。
動力學參數計算
結合TG數據,采用Friedman法或Ozawa法計算活化能(Ea),通過DSC峰溫與升溫速率的關系驗證機理函數(如Avrami方程描述結晶過程)。例如,聚合物熔融重結晶的Ea計算可區分一級相變與擴散控制過程。
四、技巧總結
對照實驗:使用標準樣品(如銦、鋅)校準溫度與熱流精度,排除儀器誤差。
分段積分:對DSC峰進行面積積分計算焓變(ΔH),需扣除基線并修正熱容變化影響。
軟件輔助:利用專業軟件(如TAUniversalAnalysis、NETZSCHProteus)進行峰擬合與動力學分析,提高效率與準確性。
通過系統預處理、特征峰定位及多曲線關聯,可深度解析同步熱分析數據,為材料熱穩定性評估、反應機理研究提供關鍵依據。