实验三 聚合物的热谱分析―― 差示扫描量热法(DSC)
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实验三 聚合物的热谱分析―― 聚合物的热谱分析 差示扫描量热法（ 差示扫描量热法（DSC） ）
• 热谱分析是指在等速升温（降温）的条件下， 测量试样与参比物之间的温度差随温度变化的 技术，包括差热分析（DTA）和差示扫描热量 法（DSC）。试样发生力学状态变化时（例如 由玻璃态转变为高弹态），虽无吸热或放热现 象，但比热容有突变，表现在热谱曲线上是基 线的突然变动。试样内部对热敏感的变化能反 映在热谱曲线上。因而热谱分析DTA、DSC在高 分子方面的应用特别广泛。它们可以用于研究 聚合物的玻璃转变温度Tg、相转变、结晶温度 Tc、溶点Tm、结晶度X、等温结晶动力学参数； 研究聚合、固化、交联、氧化、分解等反应以 及测定反应温度或反应热、反应动力学参数。
实验目的
• 通过用差示扫描量热分析仪测定聚合物的加 热及冷却谱图，了解DSC的原理。 • 掌握应用DSC测定聚合物的Tg、Tc、Tm、 ∆Hf及结晶度的方法
基本原理
• 聚合物的热分析是用仪器检测聚合物在加热或冷却 过程中热效应的一种物理化学分析技术。差热分析 （differential thermal analysis，DTA）是程序控温的 条件下测量试样与参比物之间温度差随温度的变化， 即测量聚合物在受热或冷却过程中，由于发生物理 变化或化学变化而产生的热效应。物质发生结晶熔 化、蒸发、升华、化学吸附、脱结晶水、玻璃化转 变、气态还原时就会出现吸热反应；当涉及结晶形 态的转变、化学分解、氧化还原反应、固态反应等 就可能发生放热或吸热反应。差示扫描量热法 （differential scanning calorimetry，DSC）是在DTA的 基础上发展起来的，其原理是检测程序升降温过程 中为保持样品和参比物温度始终相等所补偿的热流 率dH/dt随温度或时间的变化。
仪器和试样
• 1、仪器 差示扫描量热分析仪由美国的TA公司生产， 型号为Q-10 • 2、待测样品 聚乙烯、聚丙烯、聚苯乙烯等
实验步骤
• • • • • • • • • • • • • 1、打开电源UPS。 2、通保护气体（氮气） 3、启动仪器，控制器，打印机。 4、启动计算机，打开DSC操作软件出现菜单。 5、编辑实验参数。 6、预热30分钟。 7、制备样品 8、制备样品 9、实验开始 10、实验结束 11、关闭仪器，控制器，打印机电源。 12、关计算机 13、关闭保护气体，关UPS电源。
DSC的原理图
• DSC与DTA相比，另一个突出的优点是差动 热分析，试样与参比物的温度始终相等， 避免了DTA测试时，试样发生热效应造成的 参比物与试样之间的热传递，帮仪器反应 灵敏，分辨率高，重视性好。
• DSC曲线 • DSC曲线中结晶试样熔融峰的峰面积对应试样 的熔融热ΔHf，若百分之百结晶的试样的熔融热 ΔHf*是已知的，则按下式计算试样的结晶度Xc Xc=ΔHf，/ΔHf*X100%
DTA的基本原理
• DSC • DSC的原理和DTA相似，所不同是在试样和参比 物下面分别增加一个补偿加热丝和一个功率补偿 放大器，当试样在加热过程中由于热反应而出现 温差ΔT时，通过加热放大电路和差动热量补偿放 大器使流入补偿加热丝的电流发生变化，直到试 样与参比物两边的热量平衡、温差ΔT消失为止。 试样在热反应时发生的热量变化，由于及时输入 电功率而得到补偿。这时，试样放热的速度就是 补偿给试样和参比物的功率之差ΔP。因此，DSC 曲线记录ΔP 随T(或t)的变化而变化，即试样放 热速度（或者吸热速度）随T（或t）的变化而变 化。用DSC方法可以直接测量热量、进行定量分 析，这是与DTA的一个重要区别。
典型的DSC热谱图
• DSC虽在原理操作上都不复杂，但影响实验精 度的因素很多。①仪器因素：与炉子的形状、 大小和温度梯度有关。②测试时所用的气氛是 否惰性。③热电偶的粗细及其位置会影响差热 曲线的形状和峰的面积。④升温速度：玻璃化 转变是一个松驰过程，升温速度太慢，转变不 明显，甚至观察不到玻璃化转变；升温太快， Tg Tg移向高温。结晶性聚合物在升温过程中晶体 完善化，使Tm和结晶度都提高。升温速度对 峰的形状也有影响，升温速度快、基线漂移大， 会降低两个相邻的分辨率；升温速度适当、峰 尖锐、分辨也好，但速度太慢，峰变得圆滑， 且峰的面积也减小。⑤试样因素：试样的量和 参比物的量要匹配，以免两者热容相差太大引 起基线漂移。试样装填应紧密。
计算机数据处理
• 调出保存的DSC曲后，即可数据处理
• 思考题
• 影响DSC实验结果的因素有哪些？
• 热谱分析是指在等速升温（降温）的条件下， 测量试样与参比物之间的温度差随温度变化的 技术，包括差热分析（DTA）和差示扫描热量 法（DSC）。试样发生力学状态变化时（例如 由玻璃态转变为高弹态），虽无吸热或放热现 象，但比热容有突变，表现在热谱曲线上是基 线的突然变动。试样内部对热敏感的变化能反 映在热谱曲线上。因而热谱分析DTA、DSC在高 分子方面的应用特别广泛。它们可以用于研究 聚合物的玻璃转变温度Tg、相转变、结晶温度 Tc、溶点Tm、结晶度X、等温结晶动力学参数； 研究聚合、固化、交联、氧化、分解等反应以 及测定反应温度或反应热、反应动力学参数。
实验目的
• 通过用差示扫描量热分析仪测定聚合物的加 热及冷却谱图，了解DSC的原理。 • 掌握应用DSC测定聚合物的Tg、Tc、Tm、 ∆Hf及结晶度的方法
基本原理
• 聚合物的热分析是用仪器检测聚合物在加热或冷却 过程中热效应的一种物理化学分析技术。差热分析 （differential thermal analysis，DTA）是程序控温的 条件下测量试样与参比物之间温度差随温度的变化， 即测量聚合物在受热或冷却过程中，由于发生物理 变化或化学变化而产生的热效应。物质发生结晶熔 化、蒸发、升华、化学吸附、脱结晶水、玻璃化转 变、气态还原时就会出现吸热反应；当涉及结晶形 态的转变、化学分解、氧化还原反应、固态反应等 就可能发生放热或吸热反应。差示扫描量热法 （differential scanning calorimetry，DSC）是在DTA的 基础上发展起来的，其原理是检测程序升降温过程 中为保持样品和参比物温度始终相等所补偿的热流 率dH/dt随温度或时间的变化。
仪器和试样
• 1、仪器 差示扫描量热分析仪由美国的TA公司生产， 型号为Q-10 • 2、待测样品 聚乙烯、聚丙烯、聚苯乙烯等
实验步骤
• • • • • • • • • • • • • 1、打开电源UPS。 2、通保护气体（氮气） 3、启动仪器，控制器，打印机。 4、启动计算机，打开DSC操作软件出现菜单。 5、编辑实验参数。 6、预热30分钟。 7、制备样品 8、制备样品 9、实验开始 10、实验结束 11、关闭仪器，控制器，打印机电源。 12、关计算机 13、关闭保护气体，关UPS电源。
DSC的原理图
• DSC与DTA相比，另一个突出的优点是差动 热分析，试样与参比物的温度始终相等， 避免了DTA测试时，试样发生热效应造成的 参比物与试样之间的热传递，帮仪器反应 灵敏，分辨率高，重视性好。
• DSC曲线 • DSC曲线中结晶试样熔融峰的峰面积对应试样 的熔融热ΔHf，若百分之百结晶的试样的熔融热 ΔHf*是已知的，则按下式计算试样的结晶度Xc Xc=ΔHf，/ΔHf*X100%
DTA的基本原理
• DSC • DSC的原理和DTA相似，所不同是在试样和参比 物下面分别增加一个补偿加热丝和一个功率补偿 放大器，当试样在加热过程中由于热反应而出现 温差ΔT时，通过加热放大电路和差动热量补偿放 大器使流入补偿加热丝的电流发生变化，直到试 样与参比物两边的热量平衡、温差ΔT消失为止。 试样在热反应时发生的热量变化，由于及时输入 电功率而得到补偿。这时，试样放热的速度就是 补偿给试样和参比物的功率之差ΔP。因此，DSC 曲线记录ΔP 随T(或t)的变化而变化，即试样放 热速度（或者吸热速度）随T（或t）的变化而变 化。用DSC方法可以直接测量热量、进行定量分 析，这是与DTA的一个重要区别。
典型的DSC热谱图
• DSC虽在原理操作上都不复杂，但影响实验精 度的因素很多。①仪器因素：与炉子的形状、 大小和温度梯度有关。②测试时所用的气氛是 否惰性。③热电偶的粗细及其位置会影响差热 曲线的形状和峰的面积。④升温速度：玻璃化 转变是一个松驰过程，升温速度太慢，转变不 明显，甚至观察不到玻璃化转变；升温太快， Tg Tg移向高温。结晶性聚合物在升温过程中晶体 完善化，使Tm和结晶度都提高。升温速度对 峰的形状也有影响，升温速度快、基线漂移大， 会降低两个相邻的分辨率；升温速度适当、峰 尖锐、分辨也好，但速度太慢，峰变得圆滑， 且峰的面积也减小。⑤试样因素：试样的量和 参比物的量要匹配，以免两者热容相差太大引 起基线漂移。试样装填应紧密。
计算机数据处理
• 调出保存的DSC曲后，即可数据处理
• 思考题
• 影响DSC实验结果的因素有哪些？