差示掃描量熱儀DSC

差示掃描量熱儀DSC第一頁，共四十三頁，2022年，8月28日第一章DSC基本原理第二頁，共四十三頁，2022年，8月28日DSC定義程序控溫條件下，測量在升溫、降溫或恒溫過程中品所吸收與釋放出的熱量

Q200DSC爐子第三頁，共四十三頁，2022年，8月28日原理DSC監(jiān)測樣品和參比溫度差（熱流）隨時(shí)間或溫度變化而變化的過程。樣品和參比處于溫度相同的均溫區(qū)，當(dāng)樣品沒有熱變化的時(shí)候，樣品端和參比端的溫度均按照預(yù)先設(shè)定的溫度變化，溫差ΔT=0。當(dāng)樣品發(fā)生變化如熔融，提供給樣品的熱量都用來維持樣品的熔融，參比端溫度仍按照爐體升溫，參比端溫度會高于樣品端溫度從而形成了溫度差。把這種溫度差的變化轉(zhuǎn)變?yōu)闊崃鞑钤僖郧€記錄下來，就形成了DSC的原始數(shù)據(jù)。第四頁，共四十三頁，2022年，8月28日假設(shè):

1,傳感器絕對對稱，Tfs=Tfr，Rs=Rr=R 2,樣品和參比端的熱容相等Cpr=Cps 3,樣品和參比的加熱速率永遠(yuǎn)相同

4,樣品盤及參比盤的質(zhì)量（熱容）相等

5,樣品盤、參比盤與傳感器之間沒有熱阻或者熱阻相等q--------熱流，ΔT------樣品參比溫差，R-------熱阻DSC的基礎(chǔ)公式第五頁，共四十三頁，2022年，8月28日爐體把熱量傳到樣品端和參比端，假設(shè)傳到樣品端的熱阻Rs小于傳到參比端的熱阻Rf,一定導(dǎo)致傳到樣品端的熱多于參比端的熱從而導(dǎo)致一個(gè)ΔT的產(chǎn)生?；蛘呦嗤瑹崃總鞯綐悠范撕蛥⒈榷?，假設(shè)樣品端熱容Cs小于參比端熱容Cf,一定導(dǎo)致樣品端溫度高于參比端而產(chǎn)生一個(gè)ΔT，這些ΔT都是由于系統(tǒng)引起，不是樣品熱反應(yīng)引起，我們稱之為熱阻熱容的不平衡實(shí)際測試過程第六頁，共四十三頁，2022年，8月28日熱阻抗的不平衡部分

熱容量的不平衡部分

加熱速率的不平衡部分第七頁，共四十三頁，2022年，8月28日如上因素，我們需要測量儀器整個(gè)溫度范圍內(nèi)，樣品端和參比端熱阻和熱容隨溫度變化的數(shù)值。并且要把這些不平衡因素消除。我們把這種測量稱之為T0校正，其實(shí)叫熱阻熱容測量更準(zhǔn)確。第八頁，共四十三頁，2022年，8月28日第二章DSC在高分子材料的應(yīng)用第九頁，共四十三頁，2022年，8月28日測量熔融溫度、玻璃化轉(zhuǎn)變、氧化誘導(dǎo)時(shí)間（溫度）測相變熱焓及結(jié)晶度、測研究結(jié)晶動力學(xué)測化學(xué)反應(yīng)熱焓、研究固化反應(yīng)及反應(yīng)動力學(xué)表征聚合物相容性應(yīng)用第十頁，共四十三頁，2022年，8月28日DSC典型綜合圖譜溫度熱流->放熱玻璃化轉(zhuǎn)變結(jié)晶熔化交聯(lián)(固化)

氧化或分解第十一頁，共四十三頁，2022年，8月28日一般在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(熱焓減少)。DSC曲線熱焓變化率，熱流率(heatflowing)，單位為毫瓦（mW）吸收熱量，樣品熱容增加，基線發(fā)生位移結(jié)晶，放出熱量，放熱峰；晶體熔融，吸熱，吸熱峰第十二頁，共四十三頁，2022年，8月28日DSC應(yīng)用：熔融溫度(熔點(diǎn))的測定是否所有物質(zhì)都有熔點(diǎn)？什么是熔點(diǎn)？第十三頁，共四十三頁，2022年，8月28日熔點(diǎn)是晶體將其物態(tài)由固態(tài)轉(zhuǎn)變（熔化）為液態(tài)的過程中固液共存狀的溫度。結(jié)晶聚合物如尼龍、聚乙烯、聚丙烯、聚甲醛等材料.第十四頁，共四十三頁，2022年，8月28日熔融與結(jié)晶表征熔融的四個(gè)參數(shù)：1.吸熱峰峰值2.初始熔融溫度3.吸熱峰面積4.熔融結(jié)束溫度表征結(jié)晶的兩個(gè)參數(shù)：1.放熱峰峰值2.放熱峰面積峰的形狀峰的數(shù)目峰的位置峰的面積物質(zhì)的性質(zhì)決定定性定量第十五頁，共四十三頁，2022年，8月28日DSC測定熔點(diǎn)推薦程序樣品用量5~10mg以10℃/min加熱至熔融外推終止溫度Tefm以上30或50℃，以消除材料熱歷史以10℃/min將溫度降到預(yù)期的結(jié)晶溫度Tefc以下30或50℃再以10℃/min加熱至熔融外推終止溫度Tefm以上30或50℃測定Tm對比測定前后樣品的重量，如發(fā)現(xiàn)有失重則重復(fù)以上過程常用測試標(biāo)準(zhǔn)：ISO11357-3-2011,ASTME794-06(2012)，ASTMD3418-12ε1、GB19466.3-2004第十六頁，共四十三頁，2022年，8月28日金屬銦的熔點(diǎn)，其DSC曲線近似一條垂直線，其熔點(diǎn)通常取外推起始溫度，吸收峰的面積為熱焓應(yīng)用實(shí)例：熔融溫度及熱焓測試第十七頁，共四十三頁，2022年，8月28日高分子聚合物熔融溫度范圍較為寬廣，在整個(gè)熔融過程中可能伴有復(fù)雜的熔融/重結(jié)晶/晶型調(diào)整過程，高分子的熔點(diǎn)通常取峰值溫度第十八頁，共四十三頁，2022年，8月28日應(yīng)用實(shí)例：一般物質(zhì)的鑒定PA6PA66○根據(jù)熔點(diǎn)，可以對結(jié)晶高分子進(jìn)行定性鑒別第十九頁，共四十三頁，2022年，8月28日應(yīng)用實(shí)例：混合物和共聚物的定性檢測PEPPPP+PE在聚丙烯與聚乙烯共混物中它們各自保持了自身的熔融特性，因此呈現(xiàn)出PP與PE的熔點(diǎn)第二十頁，共四十三頁，2022年，8月28日應(yīng)用實(shí)例：混合物和共聚物的定量檢測第二十一頁，共四十三頁，2022年，8月28日應(yīng)用：監(jiān)控產(chǎn)品質(zhì)量FDA對于食品接觸類聚烯烴材料的熔點(diǎn)有著明確的規(guī)范要求！第二十二頁，共四十三頁，2022年，8月28日應(yīng)用：監(jiān)控產(chǎn)品質(zhì)量M&M巧克力，不溶在手，只溶在口第二十三頁，共四十三頁，2022年，8月28日DSC應(yīng)用：玻璃化轉(zhuǎn)變是否所有物質(zhì)都存在玻璃化轉(zhuǎn)變？什么是玻璃化轉(zhuǎn)變？第二十四頁，共四十三頁，2022年，8月28日玻璃化轉(zhuǎn)變(Tg)玻璃化轉(zhuǎn)變：無定形或半結(jié)晶聚合物，從黏流態(tài)或高彈態(tài)向玻璃態(tài)的轉(zhuǎn)變溫度無定形高聚物或結(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，被凍結(jié)的分子微布朗運(yùn)動開始，因而熱容變大，DSC基線向吸熱一側(cè)偏移第二十五頁，共四十三頁，2022年，8月28日聚苯乙烯(PS)玻璃化轉(zhuǎn)變溫度時(shí)熱熔與熱流的變化第二十六頁，共四十三頁，2022年，8月28日測量、報(bào)道玻璃化轉(zhuǎn)變玻璃化轉(zhuǎn)變永遠(yuǎn)是一個(gè)溫度范圍。與玻璃化轉(zhuǎn)變相關(guān)的分子運(yùn)動是有溫度依賴性的。因此，Tg隨著加熱速率或者測試頻率（MDSC,DMA等）的增加而提高。當(dāng)需要報(bào)道玻璃化溫度時(shí)候，一定要說明測試方法（DSC、DMA等等）、實(shí)驗(yàn)條件（加熱速率、樣品尺寸等等）以及Tg是如何確定的(1/2Cp的中點(diǎn)，或者是拐點(diǎn)，或者是求導(dǎo)后的峰值)。第二十七頁，共四十三頁，2022年，8月28日玻璃化轉(zhuǎn)變分析聚苯乙烯9.67mg10°C/min第二十八頁，共四十三頁，2022年，8月28日玻璃化轉(zhuǎn)變分析聚苯乙烯9.67mg10°C/min第二十九頁，共四十三頁，2022年，8月28日玻璃化轉(zhuǎn)變是可逆的第三十頁，共四十三頁，2022年，8月28日玻璃化轉(zhuǎn)變溫度測定的推薦程序樣品用量10~15毫克以20℃/min加熱至Tg以上30或50℃以最快速度或20℃/min將溫度降到Tg以下30或50℃再以20℃/min加熱測定Tg對比測定前后樣品的重量，如發(fā)現(xiàn)有失重則重復(fù)以上過程常用測試標(biāo)準(zhǔn)：ASTMD3418-12ε1、ISO11357-2-2013、GB/T19466.2-2004第三十一頁，共四十三頁，2022年，8月28日DSC應(yīng)用：氧化誘導(dǎo)時(shí)間氧化誘導(dǎo)時(shí)間(oxidationinductiontime)：指常壓、氧氣或空氣氣氛及在規(guī)定溫度下，通過量熱法測定材料出現(xiàn)氧化放熱的時(shí)間。表征穩(wěn)定化材料耐氧化分解的一種相對度量。第三十二頁，共四十三頁，2022年，8月28日DSC應(yīng)用：固化度的測定樹脂基體固化程度,用DSC的實(shí)驗(yàn)結(jié)果表示為試樣在某個(gè)條件下測出的固化反應(yīng)熱與未固化試樣完全固化的總反應(yīng)熱之比的百分?jǐn)?shù)DC(fractionreacted)=(Ht-H)100%/Ht=(1-H/Ht)100%Ht：未固化樣品的完全固化總的反應(yīng)熱H：樣品的固化反應(yīng)熱測試標(biāo)準(zhǔn)：ASTME2160-04(2012)和HB7614-1998第三十三頁，共四十三頁，2022年，8月28日DC(fractionreacted)=(Ht-H)100%/Ht=(225.43J/g-37.490J/g)*100/225.43J/g=83%根據(jù)以上數(shù)據(jù)計(jì)算固化度：第三十四頁，共四十三頁，2022年，8月28日第三章實(shí)驗(yàn)技巧升溫速率樣品用量靈敏度與分辨率樣品粒度與堆積方式氣氛坩堝類型的選擇坩堝加蓋與否的選擇第三十五頁，共四十三頁，2022年，8月28日熱分析實(shí)驗(yàn)技巧–升溫速率快速升溫：易產(chǎn)生反應(yīng)滯后，樣品內(nèi)溫度梯度增大，峰（平臺）分離能力下降；對DSC其基線漂移較大，但能提高靈敏度。慢速升溫：有利于DTA、DSC、DTG相鄰峰的分離；TG相鄰失重平臺的分離；DSC基線漂移較小，但靈敏度下降。對于TG測試，過快的升溫速率有時(shí)會導(dǎo)致丟失某些中間產(chǎn)物的信息。一般以較慢的升溫速率為宜。對于DSC測試，在傳感器靈敏度足夠的情況下，一般也以較慢的升溫速率為佳。第三十六頁，共四十三頁，2022年，8月28日熱分析實(shí)驗(yàn)技巧–樣品用量樣品量?。簻p小樣品內(nèi)的溫度梯度，測得特征溫度較低更“真實(shí)”；有利于氣體產(chǎn)物擴(kuò)散，減少化學(xué)平衡中的逆向反應(yīng)；相鄰峰（平臺）分離能力增強(qiáng)，但DSC靈敏度有所降低。樣品量大：能提高DSC靈敏度，但峰形加寬，峰值溫度向高溫漂移，相鄰峰（平臺）趨向于合并在一起，峰分離能力下降；且樣品內(nèi)溫度梯度較大，氣體產(chǎn)物擴(kuò)散亦稍差。一般在DSC與熱天平的靈敏度足夠的情況下，亦以較小的樣品量為宜。第三十七頁，共四十三頁，2022年，8月28日熱分析實(shí)驗(yàn)技巧–靈敏度與分辨率一對矛盾：靈敏度←→分辨率如何提高靈敏度，檢測微弱的熱效應(yīng)：提高升溫速率，加大樣品量。如何提高分辨率，分離相鄰的峰（平臺）：使用慢速升溫速率，小的樣品量。由于增大樣品量對靈敏度影響較大，對分辨率影響較小，而加快升溫速率對兩者影響都大，因此在熱效應(yīng)微弱的情況下，常以選擇較慢的升溫速率（保持良好的分辨率），而以適當(dāng)增加樣品量來提高靈敏度。第三十八頁，共四十三頁，2022年，8月28日熱分析實(shí)驗(yàn)技巧–樣品粒度與堆積方式樣品粒度小：比表面大，加速表面反應(yīng)，加速熱分解；堆積較緊密，內(nèi)部導(dǎo)熱良好，溫度梯度小，DSC、DTG的峰溫和起始溫度均有所降低。樣品堆積緊密：內(nèi)部導(dǎo)熱良好，溫度梯度??；缺點(diǎn)是與氣氛接觸稍差，氣體產(chǎn)物擴(kuò)散稍差，可能對氣固反應(yīng)及生成氣態(tài)產(chǎn)物的化學(xué)平衡略有影響。樣品在坩堝底部鋪平：有利于降低熱電偶與樣品間的溫度差。一般在靈敏度允可的情況下選擇較小的樣品量，對塊狀樣品切成薄片或碎粒，對粉末樣品使其在坩堝底部鋪平成一薄層。對于TG測試（氣固反應(yīng)，或有氣體產(chǎn)物逸出的熱分解反應(yīng)），若樣品量較大堆積較高，則根據(jù)實(shí)際情況適當(dāng)選擇堆積緊密程度。第三十九頁，共四十三頁，2022年，8月28日熱分析實(shí)驗(yàn)技巧–氣氛根據(jù)實(shí)際需要選擇動態(tài)氣氛、靜態(tài)氣氛或真空氣氛。靜態(tài)、動態(tài)與真空比較：靜態(tài)下氣體產(chǎn)物擴(kuò)散不易，分壓升高，反應(yīng)移向高溫；且易污染傳感器。真空下加熱源（爐體）與樣品之間唯有通過輻射傳熱，溫度差較大。一般非特殊需要，推薦使用動態(tài)吹掃氣氛。對于動態(tài)氣氛，根據(jù)實(shí)際反應(yīng)需要選擇惰性（N2,Ar,He）、氧化性（O2,air）、還原性（H2,CO）與其他特殊氣氛（CO2,H2O,SO2,CH4,腐蝕性氣氛如Cl2、F2等），并安排氣體之間的混合、切換關(guān)系。對比惰性與氧化性氣氛中的不同現(xiàn)象，可區(qū)別高分子的熱裂解與熱氧化裂解。常用惰性氣氛導(dǎo)熱性：He>>N2>Ar選擇導(dǎo)熱性較好的氣氛，有利于向反應(yīng)體系提供更充分的熱量，降低樣品內(nèi)部的溫度梯度，降低反應(yīng)溫度，提高反應(yīng)速率；能使峰形變尖變窄，提高分辨率，使峰溫向低溫方向漂移；在相同的冷卻介質(zhì)流量下能加快冷卻速率；缺點(diǎn)是會降低DSC靈敏度。不同導(dǎo)熱性能的氣氛，需要作單獨(dú)的溫度與靈敏度標(biāo)定。第四十頁，共四十三頁，2022年，8月28日熱分析實(shí)驗(yàn)技巧–氣氛提高惰性吹掃氣體的流量，有利于氣體產(chǎn)物的擴(kuò)散，有利化學(xué)反應(yīng)向正反應(yīng)