材料测试与研究方法第八章差示扫描量热法

1、6.4 6.4 差示扫描量热法差示扫描量热法（DSC） （Differential Scanning Calorimetry）v定义：在定义：在程序控制温度程序控制温度下，测量下，测量输给物质与参输给物质与参比物的功率差比物的功率差与与温度温度的一种技术。的一种技术。v 分类：根据所用测量方法的不同分类：根据所用测量方法的不同 1. 功率补偿型功率补偿型DSC 2. 热流型热流型DSC6.4.1 基本原理基本原理vDTADTA存在的两个缺点：存在的两个缺点：1 1）试样在产生热效应时，升温速率是非线）试样在产生热效应时，升温速率是非线性的，从而使校正系数性的，从而使校正系数K K值变化，难以进

2、行值变化，难以进行定量；定量；2 2）试样产生热效应时，由于与参比物、环）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交换，降低了对热效应测量的灵敏度和精确度。确度。使得差热技术难以进行定量分析，只能进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。行定性或半定量的分析工作。基本原理基本原理v为了克服差热缺点，发展了为了克服差热缺点，发展了DSC。该法对。该法对试样产生的热效应能及时得到应有的补偿，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使得试样与参比物之间无温差、

3、无热交换无温差、无热交换，试样升温速度始终跟随炉温线性升温，保试样升温速度始终跟随炉温线性升温，保证了校正系数值恒定。测量灵敏度和精证了校正系数值恒定。测量灵敏度和精度大有提高。度大有提高。 1.功率补偿型功率补偿型DSCDSC测量的测量的基本原理基本原理功率补偿型功率补偿型DSCDSC仪器的仪器的主要特点主要特点q 1.试样和参比物分别具有独立的加热器和传感器见图。试样和参比物分别具有独立的加热器和传感器见图。整个仪器由两套控制电路进行监控。一套控制温度，整个仪器由两套控制电路进行监控。一套控制温度，使试样和参比物以预定的速率升温，另一套用来补偿使试样和参比物以预定的速率升温，另一套用来补偿

4、二者之间的温度差。二者之间的温度差。q 2.无论试样产生任何热效应，试样和参比物都处于动无论试样产生任何热效应，试样和参比物都处于动态零位平衡状态，即二者之间的温度差态零位平衡状态，即二者之间的温度差 T等于等于0。 这是这是DSC和和DTA技术最本质的区别。技术最本质的区别。2.热流型热流型DSC与与DTA仪器十分相仪器十分相似 ， 是 一 种 定 量 的似 ， 是 一 种 定 量 的DTA仪器。仪器。不同之处在于试样不同之处在于试样与参比物托架下，置与参比物托架下，置一电热片，加热器在一电热片，加热器在程序控制下对加热块程序控制下对加热块加热，其热量通过电加热，其热量通过电热片同时对试样和

5、参热片同时对试样和参比物加热，使之受热比物加热，使之受热均匀。均匀。纵坐标纵坐标 ：热流率热流率横坐标：横坐标：温度温度T (或或时间时间t)峰向上表示吸热峰向上表示吸热向下表示放热向下表示放热在整个表观上，除在整个表观上，除纵坐标轴的单位之纵坐标轴的单位之外，外，DSC曲线看上曲线看上去非常像去非常像DTA曲线。曲线。像在像在DTA的情形一的情形一样，样，DSC曲线峰包曲线峰包围的面积正比于热围的面积正比于热焓的变化。焓的变化。DSC曲线曲线6.4.2 影响影响DSC的因素的因素pDSC的影响因素与的影响因素与DTA基本上相类似，由于基本上相类似，由于DSC用于定量测试，因此实验因素的影响显

6、得用于定量测试，因此实验因素的影响显得更重要，其主要的影响因素大致有以下几方面：更重要，其主要的影响因素大致有以下几方面：1.实验条件：程序升温速率实验条件：程序升温速率，气氛，气氛2.试样特性：试样用量、粒度、装填情况、试试样特性：试样用量、粒度、装填情况、试样的稀释等。样的稀释等。1.实验条件的影响实验条件的影响(1).升温速率升温速率p主要影响主要影响DSC曲线的峰温和峰形，一般曲线的峰温和峰形，一般越大，峰温越高，峰形越大和越尖锐。越大，峰温越高，峰形越大和越尖锐。p实际中，升温速率实际中，升温速率的影响是很复杂的，的影响是很复杂的，对温度的影响在很大程度上与试样的种对温度的影响在很大

7、程度上与试样的种类和转变的类型密切相关。类和转变的类型密切相关。如已二酸的固如已二酸的固- -液相变，其起始温度随着液相变，其起始温度随着升高而升高而下降的。下降的。 在在DSC定量测定中，最主要的热力学参数是热焓。一般认为定量测定中，最主要的热力学参数是热焓。一般认为对热焓值的影响是很小的，但是在实际中并不都是这样。对热焓值的影响是很小的，但是在实际中并不都是这样。从室温到熔点之间有四个相从室温到熔点之间有四个相(I(I、IIII、IIIIII、IV)IV)之间的之间的转变过程。随着升温速率的增大，硝酸铵的相转变峰转变过程。随着升温速率的增大，硝酸铵的相转变峰温和热焓值是增高的。温和热焓值是

8、增高的。 (2).气氛实验时，一般对所通气体的氧化还原性和惰性比较实验时，一般对所通气体的氧化还原性和惰性比较注意，而往往容易忽略对注意，而往往容易忽略对DSC峰温和热焓值的影响。峰温和热焓值的影响。实际上，气氛的影响是比较大的。实际上，气氛的影响是比较大的。 如在如在He气氛中所测定的起始温度和峰温比较低，这气氛中所测定的起始温度和峰温比较低，这是由于炉壁和试样盘之间的热阻下降引起的，因为是由于炉壁和试样盘之间的热阻下降引起的，因为He的热导性约是空气的的热导性约是空气的5倍，温度响应比较慢，而在倍，温度响应比较慢，而在真空中温度响应要快得多。真空中温度响应要快得多。2.试样特性的影响试样特

9、性的影响 1）试样用量：不宜过多，多会使试样内部传热慢，温度梯度）试样用量：不宜过多，多会使试样内部传热慢，温度梯度大，导致峰形扩大、分辨力下降。大，导致峰形扩大、分辨力下降。 2 2）试样粒度）试样粒度p影响比较复杂。影响比较复杂。p通常大颗粒热阻较大，而使试样的熔融温通常大颗粒热阻较大，而使试样的熔融温度和熔融热焓偏低。度和熔融热焓偏低。p但是当结晶的试样研磨成细颗粒时，往往但是当结晶的试样研磨成细颗粒时，往往由于晶体结构的歪曲和结晶度的下降也可由于晶体结构的歪曲和结晶度的下降也可导致相类似的结果。导致相类似的结果。p对干带静电的粉状试样，由于粉末颗粒间对干带静电的粉状试样，由于粉末颗粒间

10、的静电引力使粉状形成聚集体，也会引起的静电引力使粉状形成聚集体，也会引起熔融热焓变大。熔融热焓变大。3 3）试样的几何形状）试样的几何形状n在高聚物的研究中，发现试样几何形状的影响在高聚物的研究中，发现试样几何形状的影响十分明显。对于高聚物，为了获得比较精确的十分明显。对于高聚物，为了获得比较精确的峰温值，应该增大试样与试样盘的接触面积，峰温值，应该增大试样与试样盘的接触面积，减少试样的厚度并采用慢的升温速率。减少试样的厚度并采用慢的升温速率。6.4.3 DSC曲线峰面积的确定及仪器曲线峰面积的确定及仪器校正校正 不管是不管是DTA还是还是DSC对试样进行测定的过程中，试对试样进行测定的过程中

11、，试样发生热效应后，其导热系数、密度、比热等性质样发生热效应后，其导热系数、密度、比热等性质都会有变化。使曲线难以回到原来的基线，形成各都会有变化。使曲线难以回到原来的基线，形成各种峰形。如何正确选取不同峰形的峰面积，对定量种峰形。如何正确选取不同峰形的峰面积，对定量分析来说是十分重要的。分析来说是十分重要的。 DSC是动态量热技术，对是动态量热技术，对DSC仪器重要的校正就是仪器重要的校正就是温度校正温度校正和和量热校正量热校正。 为了能够得到精确的数据，即使对于那些精确度相为了能够得到精确的数据，即使对于那些精确度相当高的当高的DSC仪，也必须经常进行温度和量热的校核。仪，也必须经常进行温

12、度和量热的校核。1.峰面积的确定峰面积的确定p一般来讲，确定一般来讲，确定DSC峰界限有以下四种方法：峰界限有以下四种方法：(1)若峰前后基线在一直线上，则取基线连线若峰前后基线在一直线上，则取基线连线作为峰底线作为峰底线(a)。(2)当峰前后基线不一致时，取前、后基线延当峰前后基线不一致时，取前、后基线延长线与峰前、后沿交点的连线作为峰底线长线与峰前、后沿交点的连线作为峰底线(b)。(3)当峰前后基线不一致时，也可以过峰顶作为纵当峰前后基线不一致时，也可以过峰顶作为纵坐标平行线与峰前、后基线延长线相交，以此台坐标平行线与峰前、后基线延长线相交，以此台阶形折线作为峰底线阶形折线作为峰底线(c)

13、。(4)当峰前后基线不一致时，还可以作峰前、后沿当峰前后基线不一致时，还可以作峰前、后沿最大斜率点切线，分别交于前、后基线延长线，连最大斜率点切线，分别交于前、后基线延长线，连结两交点组成峰底线结两交点组成峰底线(d)。此法是此法是ICTA所推荐的方所推荐的方法。法。2.温度校正（横坐标校正）温度校正（横坐标校正） pDSC的温度是用高纯物质的熔点或相变温度进的温度是用高纯物质的熔点或相变温度进行校核的行校核的p高纯物质常用高纯铟，另外有高纯物质常用高纯铟，另外有KNO3、Sn、Pb等。等。1965，ICTA推荐了标定仪器的标准物质试样坩埚和支持器之间的热阻会使试样坩埚温度落试样坩埚和支持器之

14、间的热阻会使试样坩埚温度落后于试样坩埚支持器热电偶处的温度。这种热滞后后于试样坩埚支持器热电偶处的温度。这种热滞后可以通过测定高纯物质的可以通过测定高纯物质的DSC曲线的办法求出。高曲线的办法求出。高纯物质熔融纯物质熔融DSC峰前沿斜率为：峰前沿斜率为：001RdtdTRR0为坩埚与支持器之间的热阻为坩埚与支持器之间的热阻试样的试样的DSC峰温为过其峰顶作斜率与高纯金峰温为过其峰顶作斜率与高纯金属熔融峰前沿斜率相同的斜线与峰底线交点属熔融峰前沿斜率相同的斜线与峰底线交点B所对应的温度所对应的温度Te。3. 量热校正（纵坐标的校正）量热校正（纵坐标的校正）u用已知转变热焓的标准物质（通常用用已知

15、转变热焓的标准物质（通常用In 、Sn、 Pb、 Zn等金属）测定出仪器常数或校正系数等金属）测定出仪器常数或校正系数K。A：DSC峰面积峰面积cm2H：用来校正的标准物质的转变热焓：用来校正的标准物质的转变热焓：mcal/mgS：记录纸速：记录纸速cm/sa：仪器的量程（：仪器的量程（mcal/s）m：质量：质量任一试样的转变或反应焓值：任一试样的转变或反应焓值：选用的标准物质，其转变温度应与被测试选用的标准物质，其转变温度应与被测试样所测定的热效应温度范围接近，而且校样所测定的热效应温度范围接近，而且校正所选用的仪器及操作条件都应与试样测正所选用的仪器及操作条件都应与试样测定时完全一致。定

16、时完全一致。6.4.4 DSC的应用的应用p鉴于鉴于DSC能定量的量热、灵敏度高，应用能定量的量热、灵敏度高，应用领域很宽，涉及热效应的物理变化或化学领域很宽，涉及热效应的物理变化或化学变化过程均可采用变化过程均可采用DSC来进行测定。来进行测定。p峰的位置、形状、峰的数目与物质的性质峰的位置、形状、峰的数目与物质的性质有关，故可用来定性的表征和鉴定物质，有关，故可用来定性的表征和鉴定物质，而峰的面积与反应热焓有关，故可以用来而峰的面积与反应热焓有关，故可以用来定量计算参与反应的物质的量或者测定热定量计算参与反应的物质的量或者测定热化学参数。化学参数。1.玻璃化转变温度玻璃化转变温度Tg的测定

17、的测定 无定形高聚物或结晶高聚物无定形部分在升温达无定形高聚物或结晶高聚物无定形部分在升温达到它们的玻璃化转变时，被冻结的分子微布朗运到它们的玻璃化转变时，被冻结的分子微布朗运动开始，因而热容变大，用动开始，因而热容变大，用DSC可测定出其热容可测定出其热容随温度的变化而改变。随温度的变化而改变。 1)取基线及曲线弯曲部的外延线的交点取基线及曲线弯曲部的外延线的交点2)取曲线的拐点取曲线的拐点 2.混合物和共聚物的成分检测混合物和共聚物的成分检测 脆性的聚丙烯往往与聚乙烯共混或共聚增加它的柔性。脆性的聚丙烯往往与聚乙烯共混或共聚增加它的柔性。因为在聚丙烯和聚乙烯共混物中它们各自保持本身的熔融因

18、为在聚丙烯和聚乙烯共混物中它们各自保持本身的熔融特性，因此该共混物中各组分的混合比例可分别根据它们特性，因此该共混物中各组分的混合比例可分别根据它们的熔融峰面积计算。的熔融峰面积计算。 冲击实验表明，含乙烯链段少的试样抗冲击性能差。冲击实验表明，含乙烯链段少的试样抗冲击性能差。3.结晶度的测定结晶度的测定 p高分子材料的许多重要物理性能是与其结高分子材料的许多重要物理性能是与其结晶度密切相关的。所以百分结晶度成为高晶度密切相关的。所以百分结晶度成为高聚物的特征参数之一。由于结晶度与熔融聚物的特征参数之一。由于结晶度与熔融热焓值成正比，因此可利用热焓值成正比，因此可利用DSC测定高聚测定高聚物的

19、百分结晶度，先根据高聚物的物的百分结晶度，先根据高聚物的DSC熔熔融峰面积计算熔融热焓融峰面积计算熔融热焓Hf，再按下式求出，再按下式求出百分结晶度。百分结晶度。%100%*ffHH）结晶度（Hf*：100%结晶度的熔融热焓结晶度的熔融热焓 Hf*的测定的测定用一组已知用一组已知结晶度的样结晶度的样品作出结晶品作出结晶度度Hf图，图，然后外推求然后外推求出出100结结晶度晶度Hf*.6.5 6.5 热分析中的热分析中的联用技术联用技术单一的热分析技术，如单一的热分析技术，如TG、DTA或或DSC等，难以明确表征和解释物质的受热行等，难以明确表征和解释物质的受热行为。为。如：如：TG只能反映物质

20、受热过程中质量的只能反映物质受热过程中质量的变化，而其它性质，如热学等性质就无变化，而其它性质，如热学等性质就无法得知有无变化和变化的情况。法得知有无变化和变化的情况。高岭土分析，单独使用高岭土分析，单独使用TG或或DTA就得不到准就得不到准确的分析结果，而采用确的分析结果，而采用TG-DTA联用技术可获联用技术可获知高岭土的高温热分解机理。知高岭土的高温热分解机理。高岭土高岭土 500-600 脱水的高岭土脱水的高岭土 980 亚稳态高岭土亚稳态高岭土 1200 -Al2O3热分析的联用技术，包括各种热分析技热分析的联用技术，包括各种热分析技术本身的同时联用，术本身的同时联用， 如：如：TG

21、-DTA,TG-DSC等。等。热分析与其它分析技术的联用，如：热分析与其它分析技术的联用，如：TG-MS、TG-GC、TG-IR等。等。pICTA将热分析联用技术分为三类：将热分析联用技术分为三类：同时联用技术同时联用技术串接联用技术串接联用技术间歇联用技术间歇联用技术(1)同时联用技术同时联用技术p在程序控制温度下，对一个试样同时采在程序控制温度下，对一个试样同时采用两种或多种分析技术，用两种或多种分析技术，TG-DTA、TG-DSC应用最广泛，可以在程序控温下，应用最广泛，可以在程序控温下，同时得到物质在质量与焓值两方面的变同时得到物质在质量与焓值两方面的变化情况。化情况。TG-DTA联用

22、联用u主要优点：主要优点：能方便区分物理变化与化学变化；能方便区分物理变化与化学变化；便于比较、对照、相互补充便于比较、对照、相互补充可以用一个试样、一次试验同时得到可以用一个试样、一次试验同时得到TG与与DTA数据，节省时间数据，节省时间测量温度范围宽：室温测量温度范围宽：室温1500u缺点：同时联用分析一般不如单一热分析灵敏，缺点：同时联用分析一般不如单一热分析灵敏，重复性也差一些。因为不可能满足重复性也差一些。因为不可能满足TG和和DTA所要求的最佳实验条件。所要求的最佳实验条件。TG、DTA技术对试样量要求不一样，技术对试样量要求不一样，TG量稍多一些好，可以得到相对较高的检量稍多一些

23、好，可以得到相对较高的检测精度，而测精度，而DTA试样少一些好，这样试试样少一些好，这样试样中温度分布均匀，反应易进行，可得样中温度分布均匀，反应易进行，可得到更尖锐的峰形和较准确的峰温。到更尖锐的峰形和较准确的峰温。只能只能折衷选择最佳量折衷选择最佳量。根据物理或化学过程中所产生的重量和能量的变化情况，根据物理或化学过程中所产生的重量和能量的变化情况，TGTG和和DTADTA对反应过程可作出大致的判断：对反应过程可作出大致的判断：n测试条件：试样量测试条件：试样量10.1mg，参比物：，参比物：A12O3，升温，升温速率速率10K/min，气氛：空气，气氛：空气 Cu(NO3)23H2O (

24、晶体晶体)Cu(NO3)23H2O (液体液体) 1/4Cu(NO3)23Cu(OH)2（晶体（晶体)CuO(晶体晶体)TG-DSC联用联用在仪器构造和原理上与在仪器构造和原理上与TG-DTA联用相联用相类似；类似；具有功率补偿控制系统，可定量量热；具有功率补偿控制系统，可定量量热；在在TG-DSC仪中仪中DSC的灵敏度要降低的灵敏度要降低一些；一些；与与TG-DTA一样广泛应用于热分解机理一样广泛应用于热分解机理的研究。的研究。(2)串接联用技术串接联用技术p在程序控制温度下，对一个试样同时采在程序控制温度下，对一个试样同时采用两种或多种分析技术，第二种分析仪用两种或多种分析技术，第二种分析

25、仪器通过接口与第一种分析仪器相串联，器通过接口与第一种分析仪器相串联，例如例如TG-MS(质谱质谱)的联用。的联用。TG-MS联用技术联用技术热分析与热分析与IRIR联用技术联用技术采用红外光谱法对由多组分共混、共聚采用红外光谱法对由多组分共混、共聚或复合成的材料及制品进行研究时，经或复合成的材料及制品进行研究时，经常会遇到这些材料中混合组分的红外吸常会遇到这些材料中混合组分的红外吸收光谱带位置很靠近，甚至还发生重叠，收光谱带位置很靠近，甚至还发生重叠，相互干扰，很难判定，仅依靠相互干扰，很难判定，仅依靠IR法有时法有时就不能满足要求。就不能满足要求。而用热分析测定混合物时，不需要分离，而用热分析测定混合物时，不需要分离，一次扫描就能把混合物中几种组分的熔一次扫描就能把混合物中几种组分的熔点按高低分辨出来，但是单独用其定性，点按高低分辨出来，但是单独用其定性，灵敏度不够。灵敏度不够。TA-IR联用，可利用联用，可利用IR法提供的特征吸法提供的特征吸收谱带初步判定几种基团的种类，再收谱带初步判定几种基团的种类，再由由TA提供的熔点和曲线，就可以准确提供的熔点和曲线，就可以准确地鉴定共混物组成。对于相同类型不地鉴定共混物组成。对于相同类型不同品种材料