聚合物的热谱分析——差示量热法(DSC).docVIP

聚合物的热谱分析——差示扫描量热法(DSC) 一、实验目的 1. 了解DTA、DSC的原理。 2．掌握用DTA、DSC测定聚合物的Tg、Tc、Tm、XD。 二、实验原理 1．DTA 图（11-1）是DTA的示意图。通常由温度程序控制、气氛控制、变换放大、显示记录等部分所组成。比较先进的仪器还有数据处理部分。温度程序控制是使试样在要求的温度范围内进行温度控制，如升温、降温、恒温等，它包括炉子（加热器、制冷器等）、控温热电偶和程序温度控制器。气氛控制是为试样提供真空、保护气氛和反应气氛，它包括真空泵、充气钢瓶、稳压阀、稳流阀、流量计等。交换器是由同种材料做成的一对热电偶，将它们反向串接，组成差示热电偶，并分别置于试样和参比物盛器的底部下面，示差热电偶的电压信号，加以放大后送到显示记录。 参比物应选择那些在实验温度范围内不发生热效应的物质，如α-Al2O3、石英粉、MgO粉等，它的热容和热导率与样品应尽可能相近，当把参比物和试样同置于加热炉中的托架上等速升温时，若试样不发生热效应，在理想情况下，试样温度和参比物温度相等，ΔT＝0，差示热电偶无信号输出，记录仪上记录温差的笔仅划一条直线，称为基线。另一支笔记参比物温度变化。而当试样温度上升到某一温度发生热效应时，试样温度与参比物温度不再相等，ΔT≠0，差示热电偶有信号输出，这时就偏离基线而划出曲线。ΔT随温度变化的曲线即 DTA曲线。温差ΔT作纵坐标，吸热峰向下，放热峰向上。炉子的温度Tw以一定的速度变化，基准物的温度Tr在t＝0时与Tw相等。但当Tw开始随时间增加时，由于基准物与容器有热容Cr，发生一定的滞后；试样温度Ts也相同，不同的热容，滞后的时间也不同，Tw、Tr、Ts之间出现差距，在试样不发生任何热变化时ΔT呈定值，如图12-2所示。其值与热容、热导和升温速度有关。而热容、热导又随温度变化，这样，在整个升温过程中基线会发生不同程度的漂移。 在DTA曲线上，由峰的位置可确定发生热效应的温度，由峰的面积可确定热效应的大小，峰面积A是和热效应ΔQ成正比 ----------------------------- (1) 比例系数K可由标准物质实验确定。由于K随着温度、仪器、操作条件而变，因此DTA的定量性能不好；同时，为使DTA有足够的灵敏度，试样与周围环境的热交换要小，即热导系数不能太大，这样当试样发生热效应时才会有足够大的ΔT。但因此热电偶对试样热效应的响应也较慢，热滞后增大，峰的分辨率差，这是DTA设计原理上的一个矛盾。 2．DSC 差示扫描量热法（DSC）与差热分析（DTA）在仪器结构上的主要不同是DSC仪器增加一个差动补偿放大器，样品和参比物的坩埚下面装置了补偿加热丝，见图12-3。 当试样发生热效应时，譬如放热，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UΔT，经差热放大器放大后进入功率补偿放大器，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IS减小，参比物下面的电流IR增大，而（IS＋IR）保持恒定值。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趋于零。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。 设两边的补偿加热丝的电阻值相同，即RS＝RR＝R，补偿电热丝上的电功率为PS＝I2SR和PR=I2RR。当样品无热效应时，PS＝PR；当样品有热效应时，PS和PR之差ΔP能反映样放（吸）热的功率： （2） 由于总电流IS＋IR＝I为恒定值，所以样品放（吸）热的功率ΔP只与ΔV成正比。 记录ΔP（IΔU）随温度T（或t）的变化就是试样放热速度（或吸热速度）随T（或t）的变化，这就是DSC曲线。在DSC中，峰的面积是维持试样与参比物温度相等所需要输入的电能的真实量度，它与仪器的热学常数或试样热性能的各种变化无关，可进行定量分析。 DSC曲线的纵坐标代表试样放热或吸热的速度，即热流速度，单位是mJ/s，横坐标是T（或t），同样规定吸热峰向下，放热峰向上。试样放热或吸热的热量为 ------------------------------------ （3） 式（3）右边的积分就是峰的面积，峰面积A是热量的直接度量，也就是DSC是直接测量热效应的热量。但试样和参比物与补偿加热丝之间总存在热阻，补偿的热量有些漏失，因此热效应的热量应是ΔQ＝KA。K称为仪器常数，可由标准物质实验确定。这里的K不随温度、操作条件而变，这就是DSC与DTA定量性能好的原因。同时试样和参比物与热电偶之间的热阻可作得尽可能的小，这就使DSC对热效应的响应快、灵敏、峰的分辨率好。 3．DTA曲线、DSC曲线 图12-4是聚合物DTA曲线或DSC曲线的模式图。当温度达到玻