差示掃描量熱法(DSC)

1、差示掃差示掃描量熱法描量熱法(Differential Scanning Calorimeter，DSC)DSC定義與分類DSC基本原理和熱譜圖DSC實(shí)驗(yàn)影響DSC因素DSC的應(yīng)用DSC曲線峰面積的確定及儀器校正 目錄DSC基本結(jié)構(gòu)差示掃描量熱法v定義：在程序控制溫度下，測量輸給物質(zhì)與參比物的功率差與溫度的一種技術(shù)。v 分類：根據(jù)所用測量方法的不同 1. 功率補(bǔ)償型DSC 2. 熱流型DSCvDTA存在的兩個(gè)缺點(diǎn)：存在的兩個(gè)缺點(diǎn)：1）試樣在產(chǎn)生熱效應(yīng)時(shí)，升溫速率是非線性）試樣在產(chǎn)生熱效應(yīng)時(shí)，升溫速率是非線性的，從而使校正系數(shù)的，從而使校正系數(shù)K值變化，難以進(jìn)行定量；值變化，難以進(jìn)行定量；2）試

2、樣產(chǎn)生熱效應(yīng)時(shí)，由于與參比物、環(huán)境）試樣產(chǎn)生熱效應(yīng)時(shí)，由于與參比物、環(huán)境的溫度有較大差異，三者之間會發(fā)生熱交換，的溫度有較大差異，三者之間會發(fā)生熱交換，降低了對熱效應(yīng)測量的靈敏度和精確度。降低了對熱效應(yīng)測量的靈敏度和精確度。使得差熱技術(shù)難以進(jìn)行定量分析，只能進(jìn)行定使得差熱技術(shù)難以進(jìn)行定量分析，只能進(jìn)行定性或半定量的分析工作。性或半定量的分析工作。5功率補(bǔ)償型功率補(bǔ)償型(Power Compensation)在樣品和參比物始終保持相同溫度的條件下，測定為滿足此條件樣品和參比物兩端所需的能量差，并直接作為信號Q（熱量差）輸出。熱流型熱流型(Heat Flux)在給予樣品和參比物相同的功率下，測定樣

3、品和參比物兩端的溫差T，然后根據(jù)熱流方程，將T（溫差）換算成Q（熱量差）作為信號的輸出。DSC基本結(jié)基本結(jié)構(gòu)構(gòu)DSC基本原理基本原理將有物相變化的樣品和在所測定溫度范圍內(nèi)不發(fā)生相變且沒有任何熱效應(yīng)產(chǎn)生的參比物，在相同的條件下進(jìn)行等溫加熱或冷卻，當(dāng)樣品發(fā)生相變時(shí)，在樣品和參比物之間就產(chǎn)生一個(gè)溫度差。放置于它們下面的一組差示熱電偶即產(chǎn)生溫差電勢UT，經(jīng)差熱放大器放大后送入功率補(bǔ)償放大器，功率補(bǔ)償放大器自動調(diào)節(jié)補(bǔ)償加熱絲的電流，使樣品和參比物之間溫差趨于零，兩者溫度始終維持相同。此補(bǔ)償熱量即為樣品的熱效應(yīng)，以電功率形式顯示于記錄儀上。功率補(bǔ)償型功率補(bǔ)償型DSC內(nèi)加熱式，裝樣品和參比物的支持器是各自獨(dú)

4、立的元件，在樣品和參比物的底部各有一個(gè)加熱用的鉑熱電阻和一個(gè)測溫用的鉑傳感器。它是采用動態(tài)零位平衡原理，即要求樣品與參比物溫度，無論樣品吸熱還是放熱時(shí)都要維持動態(tài)零位平衡狀態(tài)，也就是要保持樣品和參比物溫度差趨向于零。DSC測定的是維持樣品和參比物處于相同溫度所需要的能量差（W=dH/dt，單位時(shí)間內(nèi)的焓變），反映了樣品焓的變化。熱流型熱流型DSC外加熱式，采取外加熱的方式使均溫塊受熱然后通過空氣和康銅做的熱墊片兩個(gè)途徑把熱傳遞給試樣杯和參比杯，試樣杯的溫度由鎳鉻絲和鎳鋁絲組成的高靈敏度熱電偶檢測，參比杯的溫度由鎳鉻絲和康銅組成的熱電偶加以檢測。由此可知，檢測的是溫差T，它是試樣熱量變化的反映。

5、功率補(bǔ)償式DSC因以兩個(gè)獨(dú)立爐體分別對試樣和參比物進(jìn)行加熱,故存在一個(gè)較大的缺陷即是使用時(shí)間久了后加熱參比物的爐體一直很新,而加熱試樣的爐體因用久了有污染,這樣導(dǎo)致兩個(gè)爐體不對稱,進(jìn)而致使基線漂移。目前,熱流型DSC運(yùn)用最多。功率補(bǔ)償式DSC以美國Perkin-Elmer公司生產(chǎn)的各種型號DSC儀為主。熱流型DSC以美國TA公司、瑞士Mettler公司、日本島津公司和德國耐馳公司各種型號DSC儀為主。壓片壓片裝樣的原則是盡可能使樣品均勻、密實(shí)分布在樣品皿內(nèi)，以提高傳熱效率，減少試樣與皿之間的熱阻。因此要把較大樣品剪成或切成薄片或磨成細(xì)顆粒，并盡量鋪平。一般使用的是鋁皿，分成蓋和皿兩部分，樣品放

6、在其中間，用專用卷邊壓制器沖壓而成。聚合物樣品一般使用鋁皿，使用溫度應(yīng)低于500，否則鋁會變形。當(dāng)溫度超過500時(shí)，可用金、鉑、石墨、氧化鋁皿等。DSC曲線 在程序溫度（線性升溫、降溫、恒溫及其組合等）過程中，當(dāng)樣品發(fā)生熱效應(yīng)時(shí)，在樣品端與參比端之間產(chǎn)生了熱流差，通過熱電偶對這一熱流差進(jìn)行測定。 差示掃描量熱測定時(shí)記錄的熱譜圖稱之為DSC曲線，其縱坐標(biāo)是試樣與參比物的功率差dH/dt，也稱作熱流率，單位為毫瓦（mW），橫坐標(biāo)為溫度（T）或時(shí)間（t）。一般在DSC熱譜圖中，吸熱(endothermic)效應(yīng)用凸起的峰值來表征 (熱焓增加)，放熱(exothermic)效應(yīng)用反向的峰值表征(熱焓減

7、少)。簡單的簡單的DSC熱譜圖熱譜圖熱焓變化率，熱焓變化率，熱流率熱流率(heat flowing)，單位為毫瓦（單位為毫瓦（mW）吸收熱量，樣品熱容增加，吸收熱量，樣品熱容增加，基線發(fā)生位移基線發(fā)生位移結(jié)晶，放出熱量，放熱峰；結(jié)晶，放出熱量，放熱峰；晶體熔融，吸熱，吸熱峰晶體熔融，吸熱，吸熱峰向下的為樣品的吸熱峰（典型的吸熱效應(yīng)有熔融、解吸），向上的為放熱峰（典型的放熱效應(yīng)有結(jié)晶、氧化、固化），曲線上的臺階狀拐折（典型的比熱變化效應(yīng)為二級相變，包括玻璃化轉(zhuǎn)變、鐵磁性轉(zhuǎn)變等）。向上放熱溫度DSC實(shí)驗(yàn)實(shí)驗(yàn)一、啟一、啟動動 DSC1.檢查氣路，打開儀器所需氣體。2.檢查 DSC 和控制器之間的所有

8、連接。確保每個(gè)組件都插入到正確的接頭中。3. 將儀器電源開關(guān)設(shè)置到“打開” 位置。正確開啟電源后，TA Instruments 徽標(biāo)將顯示在觸摸屏上，這表示儀器已經(jīng)可以開始使用了。注意：允許 DSC 在執(zhí)行實(shí)驗(yàn)之前至少預(yù)熱 20 分鐘。 根據(jù)需要連接并設(shè)置外部附件（例如，凈化氣體、制冷附件）。如果打算運(yùn)行低溫實(shí)驗(yàn)，請正確安裝并打開輔助制冷系統(tǒng)。注意：確保運(yùn)行實(shí)驗(yàn)和校準(zhǔn)系統(tǒng)采用相同的氣體。 選擇并準(zhǔn)備樣品。包括準(zhǔn)備適當(dāng)大小和重量的樣品，選擇坩堝類型和材料，并將樣品密封到坩堝中。 在制備DSC 樣品時(shí)應(yīng)注意如下要點(diǎn): 1. 樣品重量應(yīng)保持在510mg。2. 將樣品切的薄一些，但不要擠壓樣品。如果是

9、球型的樣品，從中間截取一段橫截面。3. 盡量使樣品平鋪在坩堝底部，更多的覆蓋坩堝。一旦準(zhǔn)備好樣品和坩堝并記錄了樣品信息，則可準(zhǔn)備將樣品坩堝放入 DSC 爐子中。按照以下說明，將樣品坩堝裝入爐子中：1）. 拆卸蓋子。請觸摸DSC 控制菜單觸摸屏上的 LID OPEN 鍵從爐子上升起蓋子。請參見右圖。注意： 絕對不要在爐子里使用易揮發(fā)、易分解的樣品。2）. 小心地將樣品坩堝放在升起平臺的右前方，將參考坩堝放在平臺的左后方（如下圖所示）。居中坩堝可使結(jié)果更精確。3）. 蓋上爐子。如果 DSC 配備有自動加蓋裝置，請觸摸 DSC 控制菜單觸摸屏上的 LID DOWN 鍵為爐子加蓋。通過 TA 控制器輸

10、入實(shí)驗(yàn)和過程信息，其中包括樣品信息和儀器信息。選擇儀器控制軟件上的“啟動”、觸摸儀器觸摸屏上的 START 鍵（Q100 或 Q1000）或按下輔助鍵盤上的Start 鍵來開始實(shí)驗(yàn)。當(dāng)啟動儀器時(shí)，系統(tǒng)自動運(yùn)行實(shí)驗(yàn)直到完成。二、開二、開始實(shí)驗(yàn)始實(shí)驗(yàn)影響DSC因素 DSC用于定量測試，因此實(shí)驗(yàn)因素的影響顯得更重要，其主要的影響因素大致有以下幾方面：1.實(shí)驗(yàn)條件：程序升溫速率，氣氛2.試樣特性：試樣用量、粒度、裝填情況、試樣的稀釋等。1. 升溫速率的影響主要影響DSC曲線的峰溫和峰形，一般越大，峰溫越高，峰形越大和越尖銳。升溫速率增加，單位時(shí)間產(chǎn)生的熱效應(yīng)大，產(chǎn)生的溫度差當(dāng)然也越大，峰就越高；由于升

11、溫速率增大，熱慣性也越大，峰頂溫度也越高。 升溫速率對高嶺土脫水反應(yīng)DSC曲線的影響溫度熱流升溫速率對數(shù)據(jù)的影響2. 氣氛的影響 氣氛的成分對DSC曲線的影響很大，可以被氧化的試樣在空氣或氧氣氛中會有很大的氧化放熱峰，在氮?dú)饣蚱渌栊詺怏w中就沒有氧化峰了。 對于不涉及氣相的物理變化，如晶型轉(zhuǎn)變、熔融、結(jié)晶等變化，轉(zhuǎn)變前后體積基本不變或變化不大，則壓力對轉(zhuǎn)變溫度的影響很小，DSC峰溫基本不變；但對于放出或消耗氣體的化學(xué)反應(yīng)或物理變化，壓力對平的溫度有明顯的影響，則DSC峰溫有較大的變化，如熱分解、升華、汽化、氧比、氫還原等。3.樣品方面的影響試樣量的影響 試樣用量越多，內(nèi)部傳熱時(shí)間越長，形成的溫

12、度梯度越大， DSC峰形就會擴(kuò)張，分辨率要下降，峰頂溫度會移向高溫，即溫度滯后會更嚴(yán)重。 用量越少則分辨率越高，但靈敏度下降。所以一般DSC試驗(yàn)都采取少量樣品較高加熱速度的方法來平衡靈敏度和分辨率。試樣粒度、形狀的影響影響比較復(fù)雜。通常大顆粒熱阻較大，而使試樣的熔融溫度和熔融熱焓偏低。但是當(dāng)結(jié)晶的試樣研磨成細(xì)顆粒時(shí)，往往由于晶體結(jié)構(gòu)的歪曲和結(jié)晶度的下降也可導(dǎo)致相類似的結(jié)果。對干帶靜電的粉狀試樣，由于粉末顆粒間的靜電引力使粉狀形成聚集體，也會引起熔融熱焓變大。試樣粒度、形狀的影響對試樣要盡量均勻，最好過篩。硝酸銀轉(zhuǎn)變的DSC曲線（a）原始試樣 （b）稍微粉碎的試樣 （c）仔細(xì)研磨的試樣DSC曲線

13、峰面積的確定及儀器校正曲線峰面積的確定及儀器校正 不管是DTA還是DSC對試樣進(jìn)行測定的過程中，試樣發(fā)生熱效應(yīng)后，其導(dǎo)熱系數(shù)、密度、比熱等性質(zhì)都會有變化。使曲線難以回到原來的基線，形成各種峰形。如何正確選取不同峰形的峰面積，對定量分析來說是十分重要的。 DSC是動態(tài)量熱技術(shù)，對DSC儀器重要的校正就是溫度校正和量熱校正。為了能夠得到精確的數(shù)據(jù)，即使對于那些精確度相當(dāng)高的DSC儀，也必須經(jīng)常進(jìn)行溫度和量熱的校核。1.峰面積的確定峰面積的確定一般來講，確定DSC峰界限有以下四種方法：(1)若峰前后基線在一直線上，則取基線連線作為峰底線(a)。(2)當(dāng)峰前后基線不一致時(shí)，取前、后基線延長線與峰前、后

14、沿交點(diǎn)的連線作為峰底線(b)。(3)當(dāng)峰前后基線不一致時(shí)，也可以過峰頂作為縱坐標(biāo)平行線與峰前、后基線延長線相交，以此臺階形折線作為峰底線(c)。(4)當(dāng)峰前后基線不一致時(shí)，還可以作峰前、后沿最大斜率點(diǎn)切線，分別交于前、后基線延長線，連結(jié)兩交點(diǎn)組成峰底線(d)。2.溫度校正（橫坐標(biāo)校正）溫度校正（橫坐標(biāo)校正） uDSC的溫度是用高純物質(zhì)的熔點(diǎn)或相變溫度進(jìn)行校核的u高純物質(zhì)常用高純銦，另外有KNO3、Sn、Pb等。u試樣坩堝和支持器之間的熱阻會使試樣坩堝溫度落后于試樣坩堝支持器熱電偶處的溫度。這種熱滯后可以通過測定高純物質(zhì)的DSC曲線的辦法求出。高純物質(zhì)熔融DSC峰前沿斜率為：001RdtdTRR

15、0為坩堝與支持器之間的熱阻u試樣的DSC峰溫為過其峰頂作斜率與高純金屬熔融峰前沿斜率相同的斜線與峰底線交點(diǎn)B所對應(yīng)的溫度Te。3. 量熱校正（縱坐標(biāo)的校正）u用已知轉(zhuǎn)變熱焓的標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)（通常用In 、Sn、 Pb、 Zn等金屬）測定出儀器常數(shù)或校正系數(shù)K。A：DSC峰面積cm2H：用來校正的標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)的轉(zhuǎn)變熱焓：mcal/mgS：記錄紙速cm/sa：儀器的量程（mcal/s）m：質(zhì)量任一試樣的轉(zhuǎn)變或反應(yīng)焓值：u選用的標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)，其轉(zhuǎn)變溫度應(yīng)與被測試樣所測定的熱效應(yīng)溫度范圍接近，而且校正所選用的儀器及操作條件都應(yīng)與試樣測定時(shí)完全一致。DSC的應(yīng)用的應(yīng)用u鑒于DSC能定量的量熱、靈敏度高，應(yīng)用領(lǐng)域很寬，

16、涉及熱效應(yīng)的物理變化或化學(xué)變化過程均可采用DSC來進(jìn)行測定。u峰的位置、形狀、峰的數(shù)目與物質(zhì)的性質(zhì)有關(guān)，故可用來定性的表征和鑒定物質(zhì)，而峰的面積與反應(yīng)熱焓有關(guān)，故可以用來定量計(jì)算參與反應(yīng)的物質(zhì)的量或者測定熱化學(xué)參數(shù)。結(jié)晶度的測定結(jié)晶度的測定 高分子材料的許多重要物理性能是與其結(jié)晶度密切相關(guān)的。所以百分結(jié)晶度成為高聚物的特征參數(shù)之一。由于結(jié)晶度與熔融熱焓值成正比，因此可利用DSC測定高聚物的百分結(jié)晶度，先根據(jù)高聚物的DSC熔融峰面積計(jì)算熔融熱焓Hf，再按下式求出百分結(jié)晶度。%100%*ffHH）結(jié)晶度（Hf*：100%結(jié)晶度的熔融熱焓 Hf*的測定的測定用一組已知結(jié)晶度的樣品作出結(jié)晶度Hf圖，然

17、后外推求出100結(jié)晶度Hf*。玻璃化轉(zhuǎn)變溫度玻璃化轉(zhuǎn)變溫度Tg的測定的測定 無定形高聚物或結(jié)晶高聚物無定形部分在升溫?zé)o定形高聚物或結(jié)晶高聚物無定形部分在升溫達(dá)到它們的玻璃化轉(zhuǎn)變時(shí)，被凍結(jié)的分子微布朗運(yùn)動達(dá)到它們的玻璃化轉(zhuǎn)變時(shí)，被凍結(jié)的分子微布朗運(yùn)動開始，因而熱容變大，用開始，因而熱容變大，用DSCDSC可測定出其熱容隨溫度可測定出其熱容隨溫度的變化而改變。的變化而改變。 結(jié)晶速率及其動力學(xué)分析結(jié)晶速率及其動力學(xué)分析聚合物熔體等溫結(jié)晶放熱的DSC曲線和結(jié)晶分?jǐn)?shù)與時(shí)間關(guān)系如圖所示。某一時(shí)間t 的結(jié)晶分?jǐn)?shù)是由DSC曲線的部分面積St 除以總面積So而得。結(jié)晶分?jǐn)?shù)時(shí)間曲線一般呈S形曲線，除尾部一小部分

18、曲線外，通常均可用經(jīng)典的Avrami方程描述。ti t t1/2 tft放熱 dQ/dt(t)10ab(a)等溫結(jié)晶DSC曲線(b)結(jié)晶分?jǐn)?shù)與時(shí)間關(guān)系A(chǔ)vrami方程的形式為：(t)：t時(shí)刻結(jié)晶分?jǐn)?shù))(exp)(1ntTktk(T)與溫度有關(guān)的結(jié)晶速率常數(shù)；n Avrami指數(shù)，與成核機(jī)制和結(jié)晶形態(tài)有關(guān)取兩次對數(shù)lntln-ln(1-)高轉(zhuǎn)化率下發(fā)生偏離tnklnln)1ln(ln左側(cè)對lnt作圖，截距為lnk，斜率為n)(exp)(1ntTktnAvrami方程只能描述一級結(jié)晶ntk2/12ln由Avrami方程(1)求n 和k 的半結(jié)晶期法t=t1/2, (t) = 1/2, 代入Avra

19、mi方程，兩邊取對數(shù)：nkt2/121ln)(exp)(1ntTktnkt2/12lnS= (1-)/lnt = t (1-)/t非晶分?jǐn)?shù)與對數(shù)時(shí)間關(guān)系曲線的斜率S：1- = exp (-ktn)由方程)exp(/ )1 (1nnktkntt)exp(nnktkntS代入ntk2/12ln(2)t = t1/222ln2/1nS)exp(nnktkntS)2lnexp(2ln2lnexp2ln2/12/12/12/12/1nttnttSnnnnAvrami方程的兩個(gè)參數(shù)k 和n便可求出。(1)ntk2/12ln(2)2ln22/1SnAvrami方程的兩個(gè)參數(shù)k 和n便可求出。(1)ntk2/12ln(2)2ln22/1Sn1.0 0.8 0.6 0.4 0.2 0.0lnt1/21- lntS1/2作圖求t1/2和S1/2相對結(jié)晶度(t)