差示扫描量热分析简介(图谱分析)

SampleTemperature (°C)
热流式 DSC - 工作原理
Tfs
R s
Ts
Tr
Rr
Trs
Hale Waihona Puke Qs Ts T fs Rs
Qr
Tr T fr Rr
Q Qs Qr
Ts T fs Rs
Q Qs Qr
Tr T fr Rr
热流式 DSC - 工作原理
techniques that study the relationship between a sample property and its temperature.——ICTAC,2004）
重要热分析技术：
差热分析（DTA=Differential Thermal Analysis） 差示扫描量热法（DSC） 热重分析（TGA=Thermogravimetric Analysis） 逸出气体分析（EGA=Evolved Gas Analysis） 热机械分析（TMA=Thermomechanical Analysis） 动态热机械分析仪（DMA=Dynamic Mechanical Analysis） 热光分析（TOA=Thermooptical Analysis） 化学发光（TCL=Thermochemiluminescence）
Exo Endo
Glass Transition
玻璃化转变
Crystallization
熔融
Melting
分解气化
Decomposition
结晶
dH/dt (mW)
基线
Tg
Tc
放热行为 （固化，氧化，反应，交联） T Tm
d
Endo Exo
Temperature
三种聚集态高分子材料DSC典型图谱
无定形态
热分析简史
18世纪出现了温度计和温标。 19世纪，热力学原理阐明了温度与热量即热焓之间的区别后，热 量可被测量。 1887年，Le Chatelier进行了被认为的首次真正的热分析实验： 将一个热电偶放入黏土样品并在炉中升温，用镜式电流计在感 光板上记录升温曲线。 1899年，Roberts Austen将两个不同的热电偶相反连接显著提 高了这种测量的灵敏度，可测量样品与惰性参比物之间的温差。 故被认为是差热分析（DTA）的发明者。 1915年，Honda首次提出连续测量试样质量变化的热重分析。 1955年，Boersma设想在坩埚外放置热敏电阻，发明现今的 DSC。 1964年，Watson等首次发表了功率补偿DSC的新技术。 频率可调的动态热机械测量的历史并不久。 近年来，热分析极大地得益于强大计算机软硬件的应用。
DSC中热流差能反映样品随温度或时间变化所发生 的焓变：样品吸收能量时，焓变为吸热；当样品释 放能量时，焓变为放热。
DSC测量样品吸热和放热与温度或时间的关系 吸热 热流入样品，即样品吸收外界热量，为负值。 放热 热流出样品，即样品对外界放出热量，为正值。
一般在DSC热谱图中， 吸热(endothermic)效应用凸起的峰值来表征 (热焓增 加 )；
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，置一电热片， 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。
特点：
基线稳定 高灵敏度
Heat Flux DSC: Theoretical T Measurement
-0.1 0
Exo Up
20
40
60
80
100
120
140
160
Temperature (°C)
简单的DSC热谱图
热焓变化率， 热流率(heat flowing)， 单位为毫瓦（mW）
exo
吸收热量，样品热容增加， 基线发生位移
endo
结晶，放出热量，放热峰； 晶体熔融，吸热，吸热峰
DSC典型综合图谱
Sample: Indium +2°C/min Size: 1.7900 mg
DSC
Comment: Multiple Heating and Cooling Rates 157.5
File: \\...\TA\Data\DSC\Shick\Indium 5.018 Operator: Caulfield Run Date: 08-Sep-2006 16:51 Instrument: DSC Q1000 V9.6 Build 290 157.5
功率补偿型(Power Compensation)
在样品和参比品始终保持相同温度的条件下，测 定为满足此条件样品和参比品两端所需的能量差， 并直接作为信号Q（热量差）输出。
功 率 补 偿 型
DSC
功率补偿的原理
当试样发生热效应时，如放热，试样温度 高于参比物温度，放置在它们下面的一组 差示热电偶产生温差电势，经差热放大器 放大后送入功率补偿放大器，功率补偿放 大器自动调节补偿加热丝的电流，使试样 下面的电流减小，参比物下面的电流增大。 降低试样的温度，增高参比物的温度，使 试样与参比物之间的温差ΔT趋与零。上述 热量补偿能及时、迅速完成，使试样和参 比物的温度始终维持相同。
endo
半结晶态
结晶态
DSC用于药物品质分析
DSC的应用范围
可通过DSC进行如下各项：
检测吸热和放热效应； 测量峰面积（转变焓和反应焓）； 测定可表征峰或热效应的温度； 测定比热容。
DSC能定量测量物理转变和化学反应，经常 测量的一些性质和过程：
熔点和熔融焓； 结晶行为和过冷； 固-固转变和多晶型； 无定形材料的玻璃化转变；反应动力学和反应进程预测； 化学反应如热分解或聚合；氧化分解、氧化稳定性（OIT）； 热解和解聚；化学反应的安全性；不同批次产品的比较； 压力下或有毒或易燃气氛中的高压DSC测量。在压力下，异 相反应速率显著加快，挥发性成分的蒸发发生在更高的温 度。
DSC的类型及其基本原理
DSC的类型：
根据所用测量方法的不同，分为：
热流型(Heat Flux) 功率补偿型(Power Compensation) 调制热流型(Modulated Heat Flux)
热流型(Heat Flux)
在给予样品和参比品相同的功率下，测定样品和 参比品两端的温差T，然后根据热流方程，将T （温差）换算成Q（热量差）作为信号的输出。
T
Temperature
Tr = Reference Temperature Ts = Sample Temperature To = Onset of Melt Tp = Peak of Melt Theoretically: To = Tp
To
Tp Time
Actual Heat Flux Data
放热(exothermic)效应用反向的峰值表征(热焓减少)。
Endothermic Heat Flow
0.1
0.0
-0.1
Heat Flow (W/g)
Heat flows into the sample as a result of either Heat capacity (heating) Glass Transition (Tg) Melting Evaporation Other endothermic processes
差示扫描量热分析
DSC
（Differential Scanning Calorimetry）
热分析概述
热分析定义：
早期：热分析是在程控试样温度下监测试样 性能与时间或温度关系的一组技术。试样 保持在设定的气氛中。温度程序包括等速 升（降）温，或恒温，或这些程序的任何 组合。 后来：热分析是研究样品性质与温度间关系 的一类技术。（Thermal Analysis is a group of
0 157.0 157.0
Delta T/Heat Flow
T
-2
156.5 -4
156.5
Slope due to thermal lag
156.0 5.2
Exo Up
156.0 5.3 5.4 5.5 5.6 5.7 5.8
Time (min)
Reference Temperature (°C)
梅特勒-托利多热分析简史
1945年，发明单秤盘替代法天平的Drhard Mettler博士在瑞士建 立了梅特勒公司。上世纪60年代与Hans-Georg Wiedemann 博士合作着手热分析仪器的研究开发。 1964年，Hans-Georg Wiedemann博士将“热天平”的想法实 现商业化，世界上第一台热重和差热同步测量的仪器TA1上市。 1971年，早期版本的热流型DSC差示扫描量热仪TA2000上市。 1981年，包括DSC、TGA和TMA的仪器TA3000被推出。系统引 入新的自动测量和自动处理热分析数据。热机械分析仪同时可 进行周期性变化负载的编程，首次引入创新性的动态负载TMA （DLTMA）技术。 得益于功能强大且价格便宜的个人电脑的普及使用，在TA4000 （1987）和TA8000（1992）基础上，上世纪90年代中期推出 完全具现代意义的STAR热分析系统，包括差示扫描量热仪 DSC及高压DSC、热重分析仪TGA及热重-DSC同步热分析仪、 热机械分析仪TMA、动态热机械分析仪DMA和热分析软件系 统。
差示扫描量热分析法
定义
在温度程序控制下，测量试样相对于参比物 的热流速率随温度或时间变化的一种技术。
与差热分析法（DTA）对比
DTA：在温度程序控制下测量试样与参比物之 间的温度差随温度变的一种技术。
DSC是在DTA基础之上发展起来的。
DTA存在的缺点
1）试样在产生热效应时，升温速率是非线性的，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。 以上两个缺点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。 故为了克服差热缺点，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，测量灵敏度和精度大有提高。
DSC与DTA测定原理的不同
DSC是在控制温度变化情况下，以温度（或 时间）为横坐标，以样品与参比物间温差 为零所需供给的热量为纵坐标所得的扫描 曲线。
DTA是测量T-T 的关系，而DSC是保持T = 0，测定H-T 的关系。两者最大的差别是 DTA只能定性或半定量，而DSC的结果可用 于定量分析。
假设: 1, 传感器绝对对称，Tfs = Tfr， Rs = Rr = R
2, 样品和参比端的热容相等Cpr-Cps
3, 样品和参比的加热速率永远相同 4, 样品盘及参比盘的质量（热容）相等 5, 样品盘、参比盘与传感器之间没有热阻或热 阻相等
Ts T fs Tr T fr Ts T fs Tr T fr Ts Tr T Q Qs Qr Rs Rr R R R
差示扫描量热曲线与差热分析基本相同，但定量更 准确、可靠。
DTA图中，温度上升曲线的斜率由于试样的吸热或放热而产生扰乱，而DSC 曲线却不受干扰，且峰形更规整（曲线上的三个吸热峰分别是 CuSO4·5H2O失去2分子、2分子和1分子水形成的）。
DSC曲线
DTA，DSC在被运用时，试样在受热或冷却过程 中，由于发生物理变化或化学变化而产生热效应， 在差热曲线上会出现吸热峰或放热峰。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，但比热有突变，表现在差 热曲线上是基线的突然变动。试样内部这些热效 应均可用DTA，DSC进行检测，发生的热效应大 致可归纳为： （1）吸热反应。如结晶、蒸发、升华、化学吸附、 脱结晶水、二次相变（如高聚物的玻璃化转变）、 气态还原等。 （2）放热反应。如气体吸附、氧化降解、气态氧 化（燃烧）、爆炸、再结晶等。 （3）可能发生的放热或吸热反应。结晶形态的转 变、化学分解、氧化还原反应、固态反应等。
-0.2
-0.3
Endothermic
-0.4
0
Exo Up
25
50
75
100
125
150
Temperature (°C)
Exothermic Heat Flow
Exothermic
0.1
Heat Flow (W/g)
0.0
Heat flows out of the sample as a result of either Heat capacity (cooling) Crystallization Curing Oxidation Other exothermic processes