DSC基本原理及應用課件

6.4差示掃描量熱法（DSC）（DifferentialScanningCalorimetry）定義：在程序控制溫度下，測量輸給物質與參比物的功率差與溫度的一種技術。分類：根據(jù)所用測量方法的不同1.功率補償型DSC2.熱流型DSC6.4差示掃描量熱法（DSC）（Differential16.4.1基本原理DTA存在的兩個缺點：1）試樣在產(chǎn)生熱效應時，升溫速率是非線性的，從而使校正系數(shù)K值變化，難以進行定量；2）試樣產(chǎn)生熱效應時，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，降低了對熱效應測量的靈敏度和精確度?！沟貌顭峒夹g難以進行定量分析，只能進行定性或半定量的分析工作。6.4.1基本原理DTA存在的兩個缺2基本原理為了克服差熱缺點，發(fā)展了DSC。該法對試樣產(chǎn)生的熱效應能及時得到應有的補償，使得試樣與參比物之間無溫差、無熱交換，試樣升溫速度始終跟隨爐溫線性升溫，保證了校正系數(shù)Ｋ值恒定。測量靈敏度和精度大有提高。基本原理為了克服差熱缺點，發(fā)展了DSC。該法對試樣產(chǎn)生的熱效31.功率補償型DSC測量的基本原理1.功率補償型DSC測量的基本原理4功率補償型DSC儀器的主要特點1.試樣和參比物分別具有獨立的加熱器和傳感器見圖。整個儀器由兩套控制電路進行監(jiān)控。一套控制溫度，使試樣和參比物以預定的速率升溫，另一套用來補償二者之間的溫度差。2.無論試樣產(chǎn)生任何熱效應，試樣和參比物都處于動態(tài)零位平衡狀態(tài)，即二者之間的溫度差T等于0。這是DSC和DTA技術最本質的區(qū)別。功率補償型DSC儀器的主要特點1.試樣和參比物分別具有獨立5DSC基本原理及應用ppt課件62.熱流型DSC與DTA儀器十分相似，是一種定量的DTA儀器。不同之處在于試樣與參比物托架下，置一電熱片，加熱器在程序控制下對加熱塊加熱，其熱量通過電熱片同時對試樣和參比物加熱，使之受熱均勻。2.熱流型DSC與DTA儀器十分相似，是一種定量的DTA儀器7縱坐標：熱流率橫坐標：溫度T(或時間t)峰向上表示吸熱向下表示放熱在整個表觀上，除縱坐標軸的單位之外，DSC曲線看上去非常像DTA曲線。像在DTA的情形一樣，DSC曲線峰包圍的面積正比于熱焓的變化。DSC曲線縱坐標：熱流率DSC曲線86.4.2影響DSC的因素DSC的影響因素與DTA基本上相類似，由于DSC用于定量測試，因此實驗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.實驗條件：程序升溫速率Φ，氣氛2.試樣特性：試樣用量、粒度、裝填情況、試樣的稀釋等。6.4.2影響DSC的因素DSC的影響因素與DTA基本上91.實驗條件的影響

(1).升溫速率Φ主要影響DSC曲線的峰溫和峰形，一般Φ越大，峰溫越高，峰形越大和越尖銳。實際中，升溫速率Φ的影響是很復雜的，對溫度的影響在很大程度上與試樣的種類和轉變的類型密切相關。1.實驗條件的影響

(1).升溫速率Φ主要影響DSC曲線的峰10如已二酸的固-液相變，其起始溫度隨著Φ升高而下降的。如已二酸的固-液相變，其起始溫度隨著Φ升高而下降的。11

在DSC定量測定中，最主要的熱力學參數(shù)是熱焓。一般認為Φ對熱焓值的影響是很小的，但是在實際中并不都是這樣。在DSC定量測定中，最主要的熱力學參數(shù)是熱焓。12從室溫到熔點之間有四個相(I、II、III、IV)之間的轉變過程。隨著升溫速率的增大，硝酸銨的相轉變峰溫和熱焓值是增高的。

從室溫到熔點之間有四個相(I、II、III、IV)之間的轉變13(2).氣氛實驗時，一般對所通氣體的氧化還原性和惰性比較注意，而往往容易忽略對DSC峰溫和熱焓值的影響。實際上，氣氛的影響是比較大的。(2).氣氛實驗時，一般對所通氣體的氧化還原性和惰性比較注意14如在He氣氛中所測定的起始溫度和峰溫比較低，這是由于爐壁和試樣盤之間的熱阻下降引起的，因為He的熱導性約是空氣的5倍，溫度響應比較慢，而在真空中溫度響應要快得多。如在He氣氛中所測定的起始溫度和峰溫比較低，這是由于爐壁和試152.試樣特性的影響1）試樣用量：不宜過多，多會使試樣內部傳熱慢，溫度梯度大，導致峰形擴大、分辨力下降。

2.試樣特性的影響1）試樣用量：不宜過多，多會使試樣內部傳熱162）試樣粒度影響比較復雜。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。但是當結晶的試樣研磨成細顆粒時，往往由于晶體結構的歪曲和結晶度的下降也可導致相類似的結果。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。2）試樣粒度影響比較復雜。173）試樣的幾何形狀在高聚物的研究中，發(fā)現(xiàn)試樣幾何形狀的影響十分明顯。對于高聚物，為了獲得比較精確的峰溫值，應該增大試樣與試樣盤的接觸面積，減少試樣的厚度并采用慢的升溫速率。3）試樣的幾何形狀在高聚物的研究中，發(fā)現(xiàn)試樣幾何形狀的影響十18DSC基本原理及應用ppt課件196.4.3DSC曲線峰面積的確定及儀器校正不管是DTA還是DSC對試樣進行測定的過程中，試樣發(fā)生熱效應后，其導熱系數(shù)、密度、比熱等性質都會有變化。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，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高的DSC儀，也必須經(jīng)常進行溫度和量熱的校核。6.4.3DSC曲線峰面積的確定及儀器校正不管是DTA201.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)當峰前后基線不一致時，取前、后基線延長線與峰前、后沿交點的連線作為峰底線(b)。1.峰面積的確定一般來講，確定DSC峰界限有以下四種方法：21(3)當峰前后基線不一致時，也可以過峰頂作為縱坐標平行線．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)當峰前后基線不一致時，還可以作峰前、后沿最大斜率點切線，分別交于前、后基線延長線，連結兩交點組成峰底線(d)。此法是ICTA所推薦的方法。(3)當峰前后基線不一致時，也可以過峰頂作為縱坐標平行線．與222.溫度校正（橫坐標校正）DSC的溫度是用高純物質的熔點或相變溫度進行校核的高純物質常用高純銦，另外有KNO3、Sn、Pb等。2.溫度校正（橫坐標校正）DSC的溫度是用高純物質的熔點或231965，ICTA推薦了標定儀器的標準物質1965，ICTA推薦了標定儀器的標準物質24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的DSC曲線的辦法求出。高純物質熔融DSC峰前沿斜率為：R0為坩堝與支持器之間的熱阻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25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B所對應的溫度Te。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263.量熱校正（縱坐標的校正）用已知轉變熱焓的標準物質（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cm2ΔH：用來校正的標準物質的轉變熱焓：mcal/mgS：記錄紙速cm/sa：儀器的量程（mcal/s）m：質量3.量熱校正（縱坐標的校正）用已知轉變熱焓的標準物質（通常27任一試樣的轉變或反應焓值：選用的標準物質，其轉變溫度應與被測試樣所測定的熱效應溫度范圍接近，而且校正所選用的儀器及操作條件都應與試樣測定時完全一致。任一試樣的轉變或反應焓值：選用的標準物質，其轉變溫度應與被測28DSC基本原理及應用ppt課件29DSC基本原理及應用ppt課件306.4.4DSC的應用鑒于DSC能定量的量熱、靈敏度高，應用領域很寬，涉及熱效應的物理變化或化學變化過程均可采用DSC來進行測定。峰的位置、形狀、峰的數(shù)目與物質的性質有關，故可用來定性的表征和鑒定物質，而峰的面積與反應熱焓有關，故可以用來定量計算參與反應的物質的量或者測定熱化學參數(shù)。6.4.4DSC的應用鑒于DSC能定量的量熱、靈敏度高，31DSC基本原理及應用ppt課件321.玻璃化轉變溫度Tg的測定無定形高聚物或結晶高聚物無定形部分在升溫達到它們的玻璃化轉變時，被凍結的分子微布朗運動開始，因而熱容變大，用DSC可測定出其熱容隨溫度的變化而改變。1)取基線及曲線彎曲部的外延線的交點2)取曲線的拐點1.玻璃化轉變溫度Tg的測定無定形高聚物或結晶高聚物無定形部332.混合物和共聚物的成分檢測脆性的聚丙烯往往與聚乙烯共混或共聚增加它的柔性。因為在聚丙烯和聚乙烯共混物中它們各自保持本身的熔融特性，因此該共混物中各組分的混合比例可分別根據(jù)它們的熔融峰面積計算。

2.混合物和共聚物的成分檢測脆性的聚丙烯往往34沖擊實驗表明，含乙烯鏈段少的試樣抗沖擊性能差。沖擊實驗表明，含乙烯鏈段少的試樣抗沖擊性能差。353.結晶度的測定高分子材料的許多重要物理性能是與其結晶度密切相關的。所以百分結晶度成為高聚物的特征參數(shù)之一。由于結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晶度，先根據(jù)高聚物的DSC熔融峰面積計算熔融熱焓ΔHf，再按下式求出百分結晶度。ΔHf*：100%結晶度的熔融熱焓3.結晶度的測定高分子材料的許多重要物理性能是與其結晶度密36ΔHf*的測定用一組已知結晶度的樣品作出結晶度ΔHf圖，然后外推求出100％結晶度ΔHf*.ΔHf*的測定用一組已知結晶度的樣品作出結晶度ΔHf圖，然后37DSC基本原理及應用ppt課件386.5熱分析中的聯(lián)用技術單一的熱分析技術，如TG、DTA或DSC等，難以明確表征和解釋物質的受熱行為。如：TG只能反映物質受熱過程中質量的變化，而其它性質，如熱學等性質就無法得知有無變化和變化的情況。6.5熱分析中的聯(lián)用技術單一的熱分析技術，如TG、DTA或39高嶺土分析，單獨使用TG或DTA就得不到準確的分析結果，而采用TG-DTA聯(lián)用技術可獲知高嶺土的高溫熱分解機理。高嶺土分析，單獨使用TG或DTA就得不到準確的分析結果，而采40高嶺土500-600℃脫水的高嶺土980℃亞穩(wěn)態(tài)高嶺土1200℃γ-Al2O3高嶺土500-600℃脫水的高嶺土980℃亞穩(wěn)態(tài)高嶺41熱分析的聯(lián)用技術，包括各種熱分析技術本身的同時聯(lián)用，如：TG-DTA,TG-DSC等。熱分析與其它分析技術的聯(lián)用，如：TG-MS、TG-GC、TG-IR等。熱分析的聯(lián)用技術，包括各種熱分析技術本身的同時聯(lián)用，42ICTA將熱分析聯(lián)用技術分為三類：同時聯(lián)用技術串接聯(lián)用技術間歇聯(lián)用技術ICTA將熱分析聯(lián)用技術分為三類：43(1)同時聯(lián)用技術在程序控制溫度下，對一個試樣同時采用兩種或多種分析技術，TG-DTA、TG-DSC應用最廣泛，可以在程序控溫下，同時得到物質在質量與焓值兩方面的變化情況。(1)同時聯(lián)用技術在程序控制溫度下，對一個試樣同時采用兩種或44TG-DTA聯(lián)用主要優(yōu)點：能方便區(qū)分物理變化與化學變化；便于比較、對照、相互補充可以用一個試樣、一次試驗同時得到TG與DTA數(shù)據(jù)，節(jié)省時間測量溫度范圍寬：室溫~1500℃缺點：同時聯(lián)用分析一般不如單一熱分析靈敏，重復性也差一些。因為不可能滿足TG和DTA所要求的最佳實驗條件。TG-DTA聯(lián)用主要優(yōu)點：45TG、DTA技術對試樣量要求不一樣，TG量稍多一些好，可以得到相對較高的檢測精度，而DTA試樣少一些好，這樣試樣中溫度分布均勻，反應易進行，可得到更尖銳的峰形和較準確的峰溫。只能折衷選擇最佳量。TG、DTA技術對試樣量要求不一樣，TG量稍多一些好，可以得46DSC基本原理及應用ppt課件47根據(jù)物理或化學過程中所產(chǎn)生的重量和能量的變化情況，TG和DTA對反應過程可作出大致的判斷：根據(jù)物理或化學過程中所產(chǎn)生的重量和能量的變化情況，TG和DT48測試條件：試樣量10.1mg，參比物：A12O3，升溫速率10K/min，氣氛：空氣測試條件：試樣量10.1mg，參比物：A12O3，升溫速率149Cu(NO3)2·3H2O(晶體)→Cu(NO3)2·3H2O(液體)→1/4[Cu(NO3)2·3Cu(OH)2]（晶體)→CuO(晶體)Cu(NO3)2·3H2O(晶體)→Cu(NO350DSC基本原理及應用ppt課件51TG-DSC聯(lián)用在儀器構造和原理上與TG-DTA聯(lián)用相類似；具有功率補償控制系統(tǒng)，可定量量熱；在TG-DSC儀中DSC的靈敏度要降低一些；與TG-DTA一樣廣泛應用于熱分解機理的研究。TG-DSC聯(lián)用在儀器構造和原理上與TG-DTA聯(lián)用相類似；52(2)串接聯(lián)用技術在程序控制溫度下，對一個試樣同時采用兩種或多種分析技術，第二種分析儀器通過接口與第一種分析儀器相串聯(lián)，例如TG-MS(質譜)的聯(lián)用。(2)串接聯(lián)用技術在程序控制溫度下，對一個試樣同時采用兩種或53TG-MS聯(lián)用技術TG-MS聯(lián)用技術54DSC基本原理及應用ppt課件55DSC基本原理及應用ppt課件56熱分析與IR聯(lián)用技術采用紅外光譜法對由多組分共混、共聚或復合成的材料及制品進行研究時，經(jīng)常會遇到這些材料中混合組分的紅外吸收光譜帶位置很靠近，甚至還發(fā)生重疊，相互干擾，很難判定，僅依靠IR法有時就不能滿足要求。而用熱分析測定混合物時，不需要分離，一次掃描就能把混合物中幾種組分的熔點按高低分辨出來，但是單獨用其定性，靈敏度不夠。熱分析與IR聯(lián)用技術采用紅外光譜法對由多組分共混、共聚或復合57TA-IR聯(lián)用，可利用IR法提供的特征吸收譜帶初步判定幾種基團的種類，再由TA提供的熔點和曲線，就可以準確地鑒定共混物組成。對于相同類型不同品種材料的共混物、摻有填料的多組分混合物和很難分離的復合材料的分析鑒定既準確，又快捷