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差示扫描量热法(DSC) 8
DSC是动态量热技术,对DSC仪器重要的校正 就是温度校正和量热校正。 为了能够得到精确的数据,即使对于那些精确 度相当高的DSC仪,也必须经常进行温度和量 热的校核。
1.峰面积的确定
一般来讲,确定DSC峰界限有以下四种
方法: (1)若峰前后基线在一直线上,则取基线 连线作为峰底线(a)。 (2)当峰前后基线不一致时,取前、后基 线延长线与峰前、后沿交点的连线作为 峰底线(b)。
基本原理
为了克服差热缺点,发展了DSC。该法 对试样产生的热效应能及时得到应有的 补偿,使得试样与参比物之间无温差、 无热交换,试样升温速度始终跟随炉温 线性升温,保证了校正系数K值恒定。 测量灵敏度和精度大有提高。
1.功率补偿型DSC测量的基本原理
功率补偿型DSC仪器的主要特点
1.试样和参比物分别具有独立的加热器和传感 器见图。整个仪器由两套控制电路进行监控。 一套控制温度,使试样和参比物以预定的速率 升温,另一套用来补偿二者之间的温度差。 2.无论试样产生任何热效应,试样和参比物都 处于动态零位平衡状态,即二者之间的温度差 T等于0。 这是DSC和DTA技术最本质的区别。
高岭土分析,单独使用TG或DTA就得不到 准确的分析结果,而采用TG-DTA联用技 术可获知高岭土的高温热分解机理。
高岭土 500-600℃ 脱水的高岭土 980℃ 亚稳态高岭土 1200℃ γ-Al2O3
热分析的联用技术,包括各种热分 析技术本身的同时联用, 如:TG-DTA,TG-DSC等。 热分析与其它分析技术的联用,如: TG-MS、TG-GC、TG-IR等。
(3)当峰前后基线不一致时,也可以过峰顶作为 纵坐标平行线.与峰前、后基线延长线相交, 以此台阶形折线作为峰底线(c)。 (4)当峰前后基线不一致时,还可以作峰前、后 沿最大斜率点切线,分别交于前、后基线延长 线,连结两交点组成峰底线(d)。此法是ICTA 所推荐的方法。
2
H f H
* f
100 %
ΔHf*:100%结晶度的熔融热焓
ΔHf*的测定
用一组已知 结晶度的样 品作出结晶 度ΔHf图, 然后外推求 出100%结 晶度ΔHf*.
6.5 热分析中的联用技术
单一的热分析技术,如TG、DTA或 DSC等,难以明确表征和解释物质 的受热行为。 如:TG只能反映物质受热过程中质 量的变化,而其它性质,如热学等 性质就无法得知有无变化和变化的 情况。
DSC的温度是用高纯物质的熔点或相变
温度进行校核的 高纯物质常用高纯铟,另外有KNO3、Sn、 Pb等。
1965,ICTA推荐了标定仪器的标准物质
试样坩埚和支持器之间的热阻会使试样坩埚温度 落后于试样坩埚支持器热电偶处的温度。这种热 滞后可以通过测定高纯物质的DSC曲线的办法求 出。高纯物质熔融DSC峰前沿斜率为:
6.4 差示扫描量热法(DSC) (Differential Scanning Calorimetry)
定义:在程序控制温度下,测量输给物 质与参比物的功率差与温度的一种技术。 分类:根据所用测量方法的不同 1. 功率补偿型DSC 2. 热流型DSC
6.4.1
基本原理
DTA存在的两个缺点: 1)试样在产生热效应时,升温速率是非 线性的,从而使校正系数K值变化,难以 进行定量; 2)试样产生热效应时,由于与参比物、 环境的温度有较大差异,三者之间会发 生热交换,降低了对热效应测量的灵敏 度和精确度。 →使得差热技术难以进行定量分析,只能 进行定性或半定量的分析工作。
热分析和气相色谱的联用
在分析时必须严格控制温度和气体
流量,尽量减少热分解副产品的产 生和保证气相色谱结果的重复性。
TG-GC联用
TG-MS联用技术
热分析与IR联用技术
采用红外光谱法对由多组分共混、共 聚或复合成的材料及制品进行研究时, 经常会遇到这些材料中混合组分的红 外吸收光谱带位臵很靠近,甚至还发 生重叠,相互干扰,很难判定,仅依 靠IR法有时就不能满足要求。 而用热分析测定混合物时,不需要分 离,一次扫描就能把混合物中几种组 分的熔点按高低分辨出来,但是单独 用其定性,灵敏度不够。
与DTA数据,节省时间 测量温度范围宽:室温~1500℃ 缺点:同时联用分析一般不如单一热分 析灵敏,重复性也差一些。因为不可能 满足TG和DTA所要求的最佳实验条件。
TG、DTA技术对试样量要求不一样, TG量稍多一些好,可以得到相对较 高的检测精度,而DTA试样少一些 好,这样试样中温度分布均匀,反 应易进行,可得到更尖锐的峰形和 较准确的峰温。 只能折衷选择最佳
冲击实验表明,含乙烯链段少的试样抗冲击性能 差。
3.结晶度的测定
高分子材料的许多重要物理性能是与其
结晶度密切相关的。所以百分结晶度成 为高聚物的特征参数之一。由于结晶度 与熔融热焓值成正比,因此可利用DSC 测定高聚物的百分结晶度,先根据高聚 物的DSC熔融峰面积计算熔融热焓ΔHf, 再按下式求出百分结晶度。
量。
根据物理或化学过程中所产生的重量和能量的变化 情况,TG和DTA对反应过程可作出大致的判断:
测试条件:试样量10.1mg,参比物:A12O3, 升温速率10K/min,气氛:空气
Cu(NO3)2· 2O (晶体)→Cu(NO3)2· 2O (液体) → 3H 3H 1/4[Cu(NO3)2· 3Cu(OH)2](晶体)→CuO(晶体)
2.热流型DSC
与 DTA 仪 器 十 分 相似,是一种定量的 DTA仪器。 不同之处在于试 样与参比物托架下, 臵一电热片,加热器 在程序控制下对加热 块加热,其热量通过 电热片同时对试样和 参比物加热,使之受 热均匀。
DSC曲线
纵坐标 :热流率 横坐标:温度T (或时间t) 峰向上表示吸热 向下表示放热 在整个表观上,除 纵坐标轴的单位之 外,DSC曲线看上 去非常像DTA曲线。 像在DTA的情形一 样,DSC曲线峰包 围的面积正比于热 焓的变化。
3)试样的几何形状
在高聚物的研究中,发现试样几何形状 的影响十分明显。对于高聚物,为了获 得比较精确的峰温值,应该增大试样与 试样盘的接触面积,减少试样的厚度并 采用慢的升温速率。
6.4.3 DSC曲线峰面积的确定及仪器 校正
不管是DTA还是DSC对试样进行测定的过程中, 试样发生热效应后,其导热系数、密度、比热 等性质都会有变化。使曲线难以回到原来的基 线,形成各种峰形。如何正确选取不同峰形的 峰面积,对定量分析来说是十分重要的。
种或多种分析技术,仪器的联接形式与 串联联用相同,但第二种分析技术是不 连续地从第一种分析仪取样。 DTA-GC(气相色谱)的联用。 TG-GC TG-GC-MS
热分析和气相色谱的联用
与气相色谱联用的热分析技术有TG、 DTA和 DSC。 既可得到热分析曲线又可分析相应的分解产物, 对研究热分解反应机理极为有用。 由于热分析是一种连续的测定过程,而气相色 谱从进样到出峰需要一定的时间间隔.所以在 热分析仪与气相色谱联用时就要通过一个接口 把它们串联起来。这种接口可以每隔一定时间 间隔通过载气把分解的气体产物送入色谱柱进 行分析。
无定形高聚物或结晶高聚物无定形部分在升 温达到它们的玻璃化转变时,被冻结的分子 微布朗运动开始,因而热容变大,用DSC可 测定出其热容随温度的变化而改变。
1)取基线及曲线弯曲部的外延线的交点 2)取曲线的拐点
2.混合物和共聚物的成分检测
脆性的聚丙烯往往与聚乙烯共混或共聚增加它的柔性。 因为在聚丙烯和聚乙烯共混物中它们各自保持本身的熔融 特性,因此该共混物中各组分的混合比例可分别根据它们 的熔融峰面积计算。
A:DSC峰面积cm2 ΔH:用来校正的标准物质的转变热焓:mcal/mg S:记录纸速cm/s a:仪器的量程(mcal/s) m:质量
任一试样的转变或反应焓值:
选用的标准物质,其转变温度应与被测
试样所测定的热效应温度范围接近,而 且校正所选用的仪器及操作条件都应与 试样测定时完全一致。
6.4.4 DSC的应用
1 dT R0 dt R0
R0为坩埚与支持器之间的热阻
试样的DSC峰温为过其峰顶作斜率与高纯
金属熔融峰前沿斜率相同的斜线与峰底线 交点B所对应的温度Te。
3. 量热校正(纵坐标的校正)
用已知转变热焓的标准物质(通常用In
、Sn、 Pb、 Zn等金属)测定出仪器常数或校正系数K。
2.试样特性的影响
1)试样用量:不宜过多,多会使试样内部传热慢,温度 梯度大,导致峰形扩大、分辨力下降。
2)试样粒度
影响比较复杂。
通常大颗粒热阻较大,而使试样的熔融
温度和熔融热焓偏低。 但是当结晶的试样研磨成细颗粒时,往 往由于晶体结构的歪曲和结晶度的下降 也可导致相类似的结果。 对干带静电的粉状试样,由于粉末颗粒 间的静电引力使粉状形成聚集体,也会 引起熔融热焓变大。
TG-DSC联用
在仪器构造和原理上与TG-DTA联 用相类似; 具有功率补偿控制系统,可定量量 热; 在 TG-DSC 仪中 DSC的 灵 敏度 要 降 低一些; 与TG-DTA一样广泛应用于热分解 机理的研究。
(2)串接联用技术
在程序控制温度下,对一个试样同
时采用两种或多种分析技术,第二 种分析仪器通过接口与第一种分析 仪器相串联,例如TG-MS(质谱)的 联用。
ICTA将热分析联用技术分为三类: 同时联用技术 串接联用技术 间歇联用技术
(1)同时联用技术
在程序控制温度下,对一个试样同 时采用两种或多种分析技术,TGDTA、TG-DSC应用最广泛,可以 在程序控温下,同时得到物质在质 量与焓值两方面的变化情况。
TG-DTA联用
主要优点: 能方便区分物理变化与化学变化; 便于比较、对照、相互补充 可以用一个试样、一次试验同时得到TG