实验五差示扫描量热法测聚丙烯的结晶度

1、实验五 差示扫描量热法（DSC测聚丙烯的结晶度一、目的1. 了解差示扫描量热法（DSC的基本原理。2掌握用DSC测定聚合物的结晶度等。二、原理1 .热分析简介热分析是一种很重要的分析方法。热分析是在程序控制温度下，测量物质的 物理性质与温度关系的一种技术。 在加热或冷却的过程中，随着物质的结构、相 态和化学性质的变化都会伴有相应的物理性质的变化。这些物理性质包括质量、 温度、尺寸和声、光、热、力、电、磁等。由此可见，热分析方法的种类是多种 多样的，在表5-1中列出几种常用的热分析方法的名称及定义。«7-1丿L种常用的热分析方陆的卒称及逗义物理性展方法羽称纽挤内容.亞箱疋义热重法(Th

2、ermoenivimetry.TG)在程序控掘下.側量物质质量与迎度的 黄系的扶术温度羞热分析dJi rtcrjniml 1 hennal Acuiksts.DTA i在程序拎汩下，测最农质科姦比 度瓷打沿璽的其系的技术焰抿2）差朮扌T捕量热法(DitTerendal Scannmp Ctiloriin<Mn.DSC)我稈库拎温K-測盘输入到物质和券比 物的功率左勺温交的关系酣技雀力学热机械分析<Tilnnomeclianica Anahsii.TMA 在程序控沿匚汇国物质在扛动负砌 下的形空打温冷的关疾勺披术热分析主要用于研究物理变化（晶型转变、熔融、升华和吸附等）和化学变化（脱

3、水、分解、氧化和还原等）。热分析不仅提供热力学参数，而且还可给出 有一定参考价值的动力学数据。因此，热分析在材料的研究和选择、在热力学和 动力学的理论研究上都是很重要的分析手段。2. 差示扫描量热法（DSC的基本工作原理当物质的物理性质发生变化（例如结晶、熔融或晶型转变等），或者起化学变化时，往往伴随着热力学性质如热焓、比热、导热系数的变化。差示扫描量热 法（DSC就是通过测定其热力学性质的变化来表征物理或化学变化过程的。目前，常用的差示扫描量热仪分为两类。一类是功率补偿型DSC仪，如Perkin-Elmer公司生产的各种型号的 DSC仪；另一类是热流型DSC仪，如Du Pont910 DSC

4、和 Mettler DSC 20或30。两类DSC仪的工作原理以及仪器构造差别较 大，下面分别给予介绍。2.1 功率补偿型DSC仪（现使用较少）以Perkin-Elmer DSC为例。图5-1为功率补偿型DSC仪的热分析装置原理图。试样和参比物分别放置在两个相互独立的加热器里。这两个加热器具有相同 的热容和热导参数，并按相同的温度程序扫描。参比物需在选定的扫描温度范围 内不具有任何热效应。因此，记录下来的任何热效应就是由试样变化引起的。功率补偿型DSC仪的工作原理建立在“零位平衡”原理之上。为了方便起见， 可以把DSC仪的热分析系统分为两个控制回路，如图5-2所示。其中一个回路作 为平均温度控

5、制，以保证按预定的程序升高（或降低）样品和参比物的温度Tp，第二个回路的作用是保证当样品和参比物之间一旦出现温度差（由于样品的放热反应或吸热反应）时，能够调节功率输入以消除其温度差。这就是零位平衡原理。 通过连续不断地和自动地调节加热器的功率，总是可以使样品池的温度和参比池 的温度保持相同。这时，有一个与输入到样品的热流和输入到参比物的热流之间 的差值成正比的信号dH/dt被馈送到记录仪中。同时，记录仪还记录样品和参比 物的平均温度。最终就得到热流率dH/dt为纵坐标、温度T或时间t为横坐标的DSC热谱图Pt传慝黯功車补楼型上仪的热分析样D畲比勒J图3 兀冷討【描城热果统的两个控制回路的示意関

6、2.2 热流型DSC仪热流型DSC仪的热分析系统和功率补偿型 DSC的差异较大，如图5-3所示。 样品和参比物同时放在同一康铜片上， 并由一个热源加热。康铜片的作用为给试 样和参比物传热及作为测温热电偶的一极。 铬镍合金线与康铜片组成的热电偶记 录试样和参比物的温差，而铬镍合金线和铬镍合金线组成的热电偶测定试样的温 度。可见，热流型DSC的热分析系统实际上测定的量是试样温度 Ts与参比物温 度Tr的温差（ T= Ts- TJ。显然，热流型DSC仪不能直接测定试样的热焓变化 量。若要测定试样的热焓，需要利用标准物质进行标定，求出 T与热焓之间的 换算关系，才能求出热焓值。新型的热流型DSC仪都带

7、有计算机分析系统，使换 算过程简便易行，计算精度和分辨率都有提高。在我们的实验中使用的是热流型DSC仪。3. DSC在聚合物研究中的应用DSC法可以用来测定聚合物的结晶速度、结晶度以及结晶熔点和熔融热等， 它还被用于研究各种因素对玻璃化转变与结晶 -熔融转变的影响；研究高聚物的 热氧化、热降解和热交联；研究多相体系的相容性等。4. DSC测定聚合物的结晶度结晶度是说明聚合物中结晶与非晶(无定形)在重量分率0或体积分率上大 小的直观数值，高聚物的许多重要性质都和其结晶度密切相关， 所以结晶度成为 高聚物的特征参数之一。结晶度的数值大小和样品分子量、结晶温度、结晶时间、 退火时间有关。测定结晶度的

8、方法较多，常用的有 DSC法、X射线衍射法和密度 梯度法等。由于结晶度和熔融热焓值成正比，因此可以利用DSC法测定聚合物的百分结 晶度。先根据高聚物的DSC熔融峰面积计算熔融热焓 H,假设 H是不是100% 的结晶样品的扩散热，那末结晶度可按公式(1)求得：%(%)= H/ H X 100%(1)式中， H、 H在相同条件下求得。这里聚丙烯的 H取190J/g。三、仪器和样品瑞士 Mettler-Toledo 公司生产的DSC 1差示扫描量热仪；聚丙烯薄膜。四、实验步骤1. 开机，将仪器预热 2 小时。2. 样品准备：样品准备的目的是减少到 DSC专感器的热阻，避免在样品内产生温 度梯度和由此

9、而引起的DSC言号“模糊”。将聚丙烯薄膜剪成铝坩埚（导热好、 不与样品反应）大小的片（约5mg）。（样品热效应大的取样少，热效应小的取样 多）3. 称重：用分析天平先称量标准铝坩埚的重量，将铝坩埚的重量作为皮重去除， 天平上的数字显示变为零。 再加入聚丙烯样品到坩埚中， 这时天平上显示的就是 聚丙烯样品的重量。4. 封铝坩埚。用镊子将装有样品的铝坩埚放到封口机的样品支架上，盖好盖子， 转动旋把一周，铝坩埚的盖子和盘就冷焊密封起来了。 （在盖子上扎一个孔，使 通气，坩埚内外气压相同， 避免升温过程中坩埚内气压增大使盖子脱落。 并将坩 埚盖压扁，与样品充分接触，使得专热面积增大。 ）5. 将封好的

10、铝坩埚置于样品盘上的适当位置。6. 打开热分析STARe软件的方法窗口，编辑实验方法，输入各种参数。7. 开始测试（仪器自动完成） 。8. 用STARe软件的分析功能处理实验结果。五、结果分析样品质量： 5.1mg结晶度： 36.79% H: 106.68J/g峰值温度：123.43 C分析：图中两个梯度说明样品不纯， 聚丙烯薄膜中含有高密度和低密度的聚丙烯。六、思考题1. 差示扫描量热法（DSC）的基本原理是什么？ 答：当物质的物理性质发生变化（例如结晶、熔融或晶型转变等） ，或者起化学 变化时，往往伴随着热力学性质如热焓、比热、导热系数的变化。差示扫描量热 法（DSC就是通过测定其热力学性质的变化来表征物理或化学变化过程的。2. DSC在聚合物的研究中有那些用途？答：DSC法可以用来测定聚合物的结晶速度、结晶度以及结晶熔点和熔融热等， 它还被用于研究各种因素对玻璃化转变与结晶 - 熔融转变的影响；研究高聚物的 热氧化、热降解和热交联；研究多相体系的相