高分子物理实验差示扫描量热法(DSC)测定聚合物热力学转变.pdf

高分子物理实验 实验三 差示扫描量热法(DSC)测定聚合物的热力学转变 2011011743 分1 黄浩 实验日期：2014-2-26 一、实验目的 1. 掌握差示扫描量热法(DSC)的基本原理和差示扫描量热仪的使用方法; 2. 测定聚合物的玻璃化温度Tg、熔点Tm 和结晶温度Tc; 二、实验原理 差热分析是测量在同一加热炉中由于温度变化在测量样品和参比材料（α-Al O ）之间 2 3 的温差，简称DTA。差示扫描量热法（DSC)是测量在同一加热炉中为保持样品和参比材料 之间相同温度所需的d(∆H)/dT ，简称DSC 。所以DTA 的测量是不定量的，而DSC 可用于 转变焓的定量测定。 聚合物中一些重要物理变化可以用DSC 或DTA 来测定，如玻璃化温度Tg，结晶温度 Tc，结晶熔化温度Tm 及解聚温度TD 等，用DSC 还可测得这些变化的焓值。一些含有热 效应的化学变化也可用DTA 或DSC 来测定。 DSC 是在程序控制温度下，测量输给试样和参比物的功率差与温度关系的一种技术。 经典DTA 常用一金属块作为试样保持器以确保试样和参比物处于相同的加热条件下。 而DSC 的主要特点是试样和参比物分别各有独立的加热元件和测温元件，并由两个系统进 行监控。其中一个用于控制升温速率，另一个用于补偿试样和惰性参比物之间的温差。图 1 显示了DTA 和DSC 加热部分的不同，图2 为常见DSC 的原理示意图。 (1) DTA (2)DSC 图2 功率补偿式DSC 原理图 图1 DTA 和DSC 加热元件示意图 1-温差热电偶；2-补偿电热丝；3-坩埚；4- 电炉；5-控温热电偶 试样在加热过程中由于热效应与参比物之间出现温差ΔT 时，通过差热放大电路和差 动热量补偿放大器，使流入补偿电热丝的电流发生变化：当试样吸热时，补偿放大器使试 样一边的电流立即增大；反之，当试样放热时则使参比物一边的电流增大，直到两边热量 平衡，温差ΔT 消失为止。换句话说，试样在热反应时发生的热量变化，由于及时输入电 1 高分子物理实验 功率而得到补偿，所以实际记录的是试样和参比物下面两只电热补偿的热功率之差随时间t 的变化dH/dt －t 关系。如果升温速率恒定，记录的也就是热功率之差随温度T 的变化 dH/dt －T 关系如图3 所示。其峰面积S 正比于热焓的变化： ΔHm=KS ，该式中，K 为与温度无关的仪器常数。 如果事先用已知相变热的试样标定仪器常数，再根据待测试样的峰面积，就可得到 ΔH 的绝对值。仪器常数的标定，可利用测定锡、铅、铟等纯金属的熔化，从其熔化热的 文献值即可得到仪器常数。 因此，用差示扫描量热法可以直接测量热量，这是与差热分析的一个重要区别。此 外，DSC 与DTA 相比，另一个突出的优点是DTA 在试样发生热效应时，试样的实际温度 已不是程序升温时所控制的温度(如在升温时试样由于放热而一度加速升温)。而DSC 由于 试样的热量变化随时可得到补偿，试样与参比物的温度始终相等，避免了参比物与试样之 间的热传递，故仪器的反应灵敏，分辨率高，重现性好。 图3 DSC 曲线 聚合物在低于玻璃化温度时，链段运动的松弛时间非常之长，因为链段运动实际上被 冻结，只有较小的运动单元如侧基和支链等可以运动。这时，聚合物所表现出来的力学性 能与低分子玻璃相似。聚合物所处的这种物理状态称为玻璃态。当聚合物处于Tg 附近的 温度时，由于链段能开始运动，便出现了热容的变化，这时在热谱图上出现了一个转折。 因此我们可以用DSC 或DTA 来测定聚合物的Tg。测定Tg 时要求仪器灵敏度高，且基线 稳定。否则在差热曲线上不易反映出转折现象。 当能结晶的聚合物处于Tm 附近的温度时，其