差示扫描量热法DSC简介.docx

聚合物的热分析------差示扫描量热法(DSC)差示扫描量热法是在差热分析(DTA)的基础上发展起来的一种热分析技术 它被定义为：在温度程序控制下，测量试量相对于参比物的热流速随温度变化的 一种技术简称 DSC( Diffevential Scanning Calovimltry) DSC 技术克服了 DTA 在计算热量变化的困难，为获得热效应的定量数据带来很大方便，同时还兼具 DTA的功能因此，近年来DSC的应用发展很快，尤其在高分子领域内得到了 越来越广泛的应用它常用于测定聚合物的熔融热、结晶度以及等温结晶动力学 参数，测定玻璃化转变温度Tg；研究聚合、固化、交联、分解等反应；测定其& 反应温度或反应温区、反应热、反应动力学参数等，业已成为高分子研究方法中 不可缺少的重要手段之一一、 目的和要求了解差示扫描量热法的基本原理及应用范围，掌握测定聚合物熔点、结晶度、 结晶温度及其热效应的方法二、 实验原理DSC和DTA的曲线模式基本相似它们都是以样品在温度变化时产生的热 效应为检测基础的，由于一般的DTA方法不能得到能量的定量数据于是人们 不断地改进设计，直到有人设计了两个独立的量热器皿的平衡。

从而使测量试样 对热能的吸收和放出(以补偿对应的参比基准物的热量来表示)成为可能这两 个量热器皿都置于程序控温的条件下采取封闭回路的形式，能精确、迅速测定 热容和热焓，这种设计就叫做差示扫描量热计DSC体系可分为两个控制回路 一个是平均温度控制回路，另一个是差示温度控制回路S.试样？氐参比物差动热量补偿器；A.微伏放大器量程转换器』记录器F.电护川心补偿加热丝在平均温度控制回路中，由程序控温装置中提供一个电信号，并将此信号于 试样池和参比池所需温度相比较，与之同时程度控温的电信号也接到记录仪进行 记录现在看一下程序温度与两个测量池温度的比较和控制过程比较是在平均 放大器内进行的，程序信号直接输入平均放大器，而两个测量池的信号分别由固 定在各测量池上的铂电阻温度计测出，通过平均温度计算器加以平均后，再输入 平均温度放大器经比较后，如果程序温度比两个测量池的平均温度高，则由放 大器分别输入更多的电功率给装在两个测量池上的独立电热器以提高它们的温 度反之，则减少供给的电功率，把它们的温度降到与程序温度相匹配的温度 这就是温度程序控制过程DSC与DTA所不同的是在测量池底部装有功率补偿器和功率放大器。

因此 在示差温度回路里，显示出DSC和DTA截然不同的特征，两个测量池上的铂电 阻温度计除了供给上述的平均温度信号外，还交替地提供试样池和参比池的温度 差值△ T输入温度差值放大器当试样产生放热反应时，试样池的温度高于参 比池，产生温差电势，经差热放大器放大后送入功率补偿放大器在补偿功率作用下，补偿热量随试样热量变化，即表征试样产生的热效应 因此实验中补偿功率随时间（温度）的变化也就反映了试样放热速度（或吸热速 度）随时间（温度）的变化，这就是DSC曲线它与DTA曲线基本相似，但其纵坐标表示试样产生热效应的速度（热流率），单位为毫卡（毫焦）/秒，横坐标是时间或温度，即dH/dt —t （时间或温度T）曲线（见图6-2）1．DSC 与 DTA 的差别DSC与DTA相比，虽然曲线相似，但表征有所不同DTA测定的是试样与 参比物的温度差，而DSC测定的是功率差AHc,功率差直接反应了热量差AHc, 这是 DSC 进行定量测试的基础在DTA方法中，当试样产生热效应时，山工0,此时样品的实际温度已不 是程序升温所控制的温度，这就产生了样品和基准物温度的不一致由于样品池 与参比池在一起，物质之间只要存在温度差，二差之间就会有热传递，因此给定 量带来困难，在 DSC 方法中，样品的热量变化由于随时得到补偿。

样品与参比 物无温差厶T=0,二物质间无热传递因此在DSC测试中不管样品有无效应， 它都能按程序控制进行升、降温而最重要的是在DTA中仪器常数K （主要表征的是热传导率）是温度的函 数，即仪器的量热灵敏度随温度的升高而降低，所以它在整个温度范围内是—— 变量，需经多点标定，而 DSC 中 K 值与温度无关，是单点标定2、DSC 曲线的标定（1） 温度的标定DSC与DTA 一样，同样需要对温度进行标定，由于DSC求测的是样品产 生的热效应与温度的关系，因此仪器温度示值的标准性非常重要当然仪器在出 厂之时进行过校正但在使用过程中仪器的各个方面会发生一些变化，使温度的 示值出现误差为提高数据的可靠性，需要经常对仪器的温度进行标定，标定的 方法是采用国际热分析协会规定的已知熔点的标准物质（见表1） 99.999％的 高纯铟、高纯锡、高纯铅在整个工作温度范围内进行仪器标定，具体方法是将几 种标准物分别在DSC仪上进行扫描如果某物质的DSC曲线上的熔点与标准不 相符说明仪器温度示值在该温区出现误差此时需调试仪器该温区温度，使记 录值等于或近似于标准值（仪器调试方法见仪器说明书）表 1 标准物质的转变温度及热量物质名称转变类型转变温度（°C）热量（卡/克）kno3多晶转变127.712.83In熔融156.66.8Sn熔融231.914.6Kg分解299.526.5Ag’SO,多晶转变412Pb熔融327.45.5Zn熔融419.524.4AgNO3多晶转变160熔融212SiO脱水400210SiO2多晶转变5734.83NaCl熔融8041173. 影响 DSC 曲线的因素DSC 的原理及操作都比较简单，但要获得精确结果必需考虑诸多的影响因 素。

下面介绍一下主要的仪器因素及样品影响因素1) 仪器影响因素a. 气氛的影响：气氛可以是惰性的，也可以是参加反应的，视实验要求而定测定时所用的 气氛不同，有时会得到完全不同的DSC曲线例如某一样品在氧气中加热会产 生氧化裂解反应—先放热，后吸热；如在氯气中进行，产生的是分解反应—吸热 反应二者的 DSC 曲线就明显不同气氛还可分为动态和静态两种形式静态气氛通常是密闭系统反应发生后 样品上空逐渐被分解出的气体所充满这时由于平衡的原因会导致反应速度减 慢以致使反应温度移向高温而炉内的对流作用使周围的气氛(浓度)不断的 变化这些情况会造成传热情况的不稳定导致实验结果不易重复反之在动态 气氛中测定，所产生的气体能不断地被动态气氛带走对流作用反而能保持相对 的稳定，实验结果易重复另外气体的流量应严格控制一致否则结果将不会重 复b. 温度程序控制速度：加热速度太快，峰温会偏高，峰面积偏大，甚至会降低两个相邻峰的分辨率 对聚合物的玻璃化的转变来说，是一个分子链段运动状态的松弛过程对升(降) 温速度有强烈依赖性升温速度较慢时，大分子链段即可在较低的温度下吸热解 冻使Tg向低温移动，当升温速度极慢时，则根本观察不到玻璃化转变。

因此， 通常采用10°C/分2) 样品因素a. 试样量：试样量同参比物的量要匹配，以免两者热容相差太大引起基线漂移试样量 少，峰小而尖锐，峰的分辨率高重视性好并有利于与周围控制气氛相接触 容易释放裂解产物，从而提高分析效果；试样量大，峰大而宽，峰温移向高温 但试样量大，对一些细小的转变，可以得到较好的定量效果对均匀性差的样品， 也可获得较好的重复结果b. 试样的粒度及装填方式：试样粒度的大小，对那些表面反应或受扩散控制反应（例如氧化）影响较大 粒度小、峰移向低温方向装填方式影响到试样的传热情况，尤其对弹性体因 此最好采用薄膜或细粉状试样，并使试样铺满盛器底部，加盖封紧，试样盛器底 部尽可能平整以保证和样品池之间的加盖接触三、实验仪器及样品DSC METTLER TOLEDO TA 公司生产样品PET （聚对苯二甲酸乙二醇酯）图6-1 DSC822e示差扫描量热仪四、实验步骤1、 样品的准备与称量先将样品用到片切碎，放入卷边铝锅内，用分析天平准确称量（10mg ±.lmg），同时称取等重的参比物a—Al2O3，加盖后分别在卷边机上卷边压紧 （此环节要求仔细、清洁）2、 接通室内总电源，打开稳定电源，一分钟后开高压开关，使电压稳定在 220 伏。

需要氮气气氛时，可打开高压钢瓶，将气氛流量计调在一定的刻度， 接通DSC炉气管）3、 打开炉盖，放上安全板，将试样和参比物分别放入样品池和参比池中，加盖 盖好，关闭炉盖同时，接通数学温度控制器，热量补偿测定器及记录仪的 电源，将温度预置上、下限分别拔至160°C〜50°C,升温速率选在1O°C/分档 热量量程拔至5mcal/秒档走纸速度为16mm/分4、 设置方法进行计算机实验五．数据处理1、温度的确定DSC 曲线峰温的确定一般有三种方法，一是采用峰顶温度为峰温；二可从 峰两侧最大斜度处引切线、相交点对应的温度为峰温；三则由峰的前部斜率最大 处作切线与基线延长线相交的所谓外推始点的对应温度为峰温玻璃化转变是一个自由体积松弛过程，并非热力学的相交，故在升温的过 程中没有热效应产生，只是由于运动单元的变化使比热发生突变使 DSC 曲 线的基线向下偏移，形成一台阶形，玻璃化转变前的基线沿线与转折沿线的交点 温度即为T,或者在基线发生转折之处，即玻璃化转变前后的直线部分取切线g再在转折曲线上取一点，使其平分两切线间的距离，此点对应的温度为 Tgg2、根据 DSC 图测定出熔融温度、结晶温度，计算出结晶度。

五．思考题1、 DSC 测试中影响实验结果的因素有那些？2、 简述 DSC 与 DTA 的差别DSC 的基本原理使什么？在聚合物研究中有那些用途？六． DSC 在高聚物研究中的应用DSC 方法以其优越的热量定量性能，在高聚物研究中发展极为迅速，而且已 经成为高聚物常规测试和基本研究手段，应用面较广，但限于篇幅，在此只将主 要方面加以简介1、高聚物玻璃化转变温度T的测定gT是表征高聚物性能的重要参数，通过测定高聚物的T可以获得多方面的性g g能与结构关系的信息测定不同高聚物的 T 可以判断分子柔顺性的差别，凡与 g分子运动有关的性能都可通过T的测定来证实对于同种交联高聚物，通过测g定其T的大小，可以推断交联程度的差异也可通过T的测定来研究高聚物共 g g混结构显微镜法可直接观察到共混物的形态结构，但不能准确地测得两种聚合 物达到分子级混合的程度但通过T的测定可以判断分子级混合的程度若两 g组分完全达到分子级的混合，形成均相体系，只有一个T ；如果两分组完全没g有分子级的混合，界面明显，存在两个与原组分相同的 T ；如果两组分之间具g有一定程度的分子级混合时，界面层占有不可忽略的地位，这时仍有两个T，g 但彼此靠近。

分子级混合的程度越大，相互靠近的程度亦越大同时，两相之间 的界面层也可能表现出不太明显的第三个玻璃化转变区需要指出的是橡胶的 T 一般在0°C以下，要带有低温装置的才能测定，而SR-1型DSC仪可测定室温 以下的T , 一般测定非晶型塑料的T ,如PVC, PS以及未拉伸的非晶PET等g g2、 DSC 法测定橡胶的硫化,热固树脂的固化过程DSC 法可以测定出橡胶混炼胶的硫化峰温以及硫化热效应,通过硫化峰温 的高低以及峰宽（半高宽或峰宽）来分析硫化体系的硫化温度,硫化反应速度等, 对于筛选配方的硫化体系，研究促进剂的并用有着重要。