实验一高分子材料热过程DSC演示实验一、目的要求：1、熟悉热分析仪的基本原理。2、了解热分析仪的构造原理及性能。3、学习热分析仪的操作方法。二、基本原理：差示扫描量热法（DSC）是指在加热的过程中，测量被测物质与参比物之间的能量差与温度之间的关系的一种方法技术。图1-1为功率补偿式DSC仪器示意图：△P......IxSRUsTUTKi△PUreUt图1-1功率补偿式DSC示意图1.温度程序控制器；2.气氛控制；3.差热放大器：4.功率补偿放大器；5.记录仪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UaT，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I.减小，参比物下面的电流Is增大，而I.+I保持恒定。降低试样的温度，增高参比物的温度，使试样和参比物之间的温差△T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
实验一 高分子材料热过程 DSC 演示实验 一、目的要求： 1、熟悉热分析仪的基本原理。 2、了解热分析仪的构造原理及性能。 3、学习热分析仪的操作方法。 二、基本原理： 差示扫描量热法（DSC）是指在加热的过程中，测量被测物质与参比物之间的能量差与温度 之间的关系的一种方法技术。图 1-1 为功率补偿式 DSC 仪器示意图： 图 1-1 功率补偿式 DSC 示意图 1.温度程序控制器；2.气氛控制；3.差热放大器；4.功率补偿放大器；5.记录仪 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 Is减小，参比物下面的电流 IR增大，而 Is+IR 保持恒定。降低试样的温度，增高参比物的温度，使试样和参比物之间的温差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。 IS IR R ΔP’ ΔP’ S UΔT UΔTK1 UTC UT
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=I，R和Pr=IR。当样品没有热效应时，Ps=P；当样品存在热效应时，Ps和P的差△P能反映样品放（吸）热的功率：AP=Ps-Pr=I,R-I,R=(Is+Ia)（Is-I)R(1)=(Is+I)V=IV由于总电流Is+I为恒定，所以样品的放（吸）热的功率△P只和△V成正比，记录△P随温度T或者时间t的变化就是试样放热速度（或者吸热速度）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，试样放热或吸热的热量为：AQ-"AP'dt(2)式（2）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直接测量热效应的热量，但是试样和参比物与补偿加热丝之间总是存在热阻，补偿的热量有些失漏，因此热效应的热量应该是△Q=KA,K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。图1-2是试样的DTA曲线或DSC曲线的模式图（我们以典型的聚合物DSC曲线为例），当温度达到玻璃化转变温度T，时，试样的热容增大就需要吸收更多的热量，使基线发生位移。假如试样是能够结晶的，并且处于过冷的非晶状态，那么在T，以上可以进行结晶，同时放出大量的结晶热而产生一个放热峰。进一步升温，结晶熔融吸热，出现吸热峰。再进一步升温试样可能发生氧化、交联反应而放热，出现放热峰，最后试样则发生分解吸热，出现吸热峰。当然，并不是所有的试样都同时存在上述全部的物理和化学变化的
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=I 2 S R 和 PR=I 2 R R。当样品没有热效应时，PS=PR；当样品存在热效应时，PS和 PR的差ΔP 能反映样品放 （吸）热的功率： ΔP= PS-PR= I 2 S R -I 2 R R=（IS+IR）（ IS-IR）R =（IS+IR） ΔV=IΔV （1） 由于总电流 IS+IR为恒定，所以样品的放（吸）热的功率ΔP 只和ΔV 成正比，记录ΔP 随温度 T 或者时间 t 的变化就是试样放热速度（或者吸热速度）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，试样放热或 吸热的热量为： ΔQ= 1 2 ' t t P dt （2） 式（2）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 直接测量 热效应的热量，但是试样和参比物与补偿加热丝之间总是存在热阻，补偿的热量有些失漏， 因此热效应的热量应该是ΔQ=KA,K 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。 图 1-2 是试样的 DTA 曲线或 DSC 曲线的模式图（我们以典型的聚合物 DSC 曲线为例）， 当温度达到玻璃化转变温度 Tg 时，试样的热容增大就需要吸收更多的热量，使基线发生位 移。假如试样是能够结晶的，并且处于过冷的非晶状态，那么在 Tg 以上可以进行结晶，同 时放出大量的结晶热而产生一个放热峰。进一步升温，结晶熔融吸热，出现吸热峰。再进— 步升温试样可能发生氧化、交联反应而放热，出现放热峰，最后试样则发生分解吸热，出现 吸热峰。当然，并不是所有的试样都同时存在上述全部的物理和化学变化的
结晶4-固化、氧化、反应、交联玻璃化转变:.)基线-变化后的基线.-----------固一固分解：气化.....-.一级转变---T.TaKoTm图1-2试样的DTA曲线或DSC曲线的模式图确定T，的方法是由玻璃化转变前后的直线部分取切线，再在实验曲线上取一点，如图1-3（a），使其平分两切线之间的距离△，这一点所对应的温度即为Tg。T.的确定，对于低分子的纯物质来说，象苯甲酸，如图1-3（b）所示，由峰的前部斜率最大处作切线和基线延长线相交，此点所对应的温度取作为T。对于聚合物来说，如图1-3（c）所示，由峰的两边斜率最大处引切线，相交点所对应的温度为T-，或者取峰顶温度为T。结晶温度Tc通常也是取峰顶温度，峰面积的取法如图1-3（d）和（e）所示。可以用积分的方法求出。1/2△1/2△图1-3（a）T,的确定图1-3(b)（c）T.的确定图1-3(d)图1-3（e）峰面积的确定随着科学技术的进步，热分析仪也发生了很大的变化，特别是在控制技术和数据处理方面，先进的硬件和软件大大简化了我们的工作。现代热分析仪由计算机和相应的软件控制
结 晶 玻璃 化 转变 Tg 变 化 后的 基 线 Tc Tm Td 分解 、气 化 固化 、氧 化 、反 应、交 联 基 线 固 —— 固 一 级 转变 ΔT（℃ ） 放 热 吸热 图 1-2 试样的 DTA 曲线或 DSC 曲线的模式图 确定 Tg 的方法是由玻璃化转变前后的直线部分取切线，再在实验曲线上取一点，如图 1-3（a），使其平分两切线之间的距离Δ，这一点所对应的温度即为 Tg。Tm的确定，对于低 分子的纯物质来说，象苯甲酸，如图 1-3（b）所示，由峰的前部斜率最大处作切线和基线 延长线相交，此点所对应的温度取作为 Tm。对于聚合物来说，如图 1-3（c）所示，由峰的 两边斜率最大处引切线，相交点所对应的温度为 Tm，或者取峰顶温度为 Tm。结晶温度 TC通 常也是取峰顶温度，峰面积的取法如图 1-3（d） 和（e）所示。可以用积分的方法求出。 1/2Δ 1/2Δ T g T m T m 图 1-3（a）Tg的确定 图 1-3（b） （c）Tm的确定 图 1-3（d） 图 1-3（e）峰面积的确定 随着科学技术的进步，热分析仪也发生了很大的变化，特别是在控制技术和数据处理方 面，先进的硬件和软件大大简化了我们的工作。现代热分析仪由计算机和相应的软件控制
不但提高了仪器的精度，还可以自动处理数据，求出T、T.和峰面积A等重要参数。三、仪器：DSC-8000型热分析仪（美国PE公司）如图1一4所示主要由炉体，支架，天平，水浴系统，天平，计算机组成。图1一4 (a)四、操作步骤（一）测量准备测试样品为PE-PA复合薄膜，严禁测试易挥发、对A1埚有污染的样品，测试样品形状为粉末状、片状、块状，保证样品与测量娲底部接触良好且样品适量（如：在中放置1/3厚或10mg）以便减小在测试中的样品温度梯度，确保测量精度。开机后调整保护气体及吹扫气体的输出压力和流速。参比使用空埚，参比物与样品使用相同的
不但提高了仪器的精度，还可以自动处理数据，求出 Tg、Tm和峰面积 A 等重要参数。 三、仪器： DSC-8000 型热分析仪（美国 PE 公司）如图 1—4 所示主要由炉体，支架，天平，水浴系统， 天平，计算机组成。 图 1—4（a） 四、操作步骤 （一）测量准备 测试样品为 PE-PA 复合薄膜，严禁测试易挥发、对 Al 坩埚有污染的样品，测试样品形 状为粉末状、片状、块状，保证样品与测量坩埚底部接触良好且样品适量（如：在坩埚中放 置 1/3 厚或 10mg）以便减小在测试中的样品温度梯度，确保测量精度。 开机后调整保护气体及吹扫气体的输出压力和流速。 参比使用空坩埚，参比物与样品使用相同的坩埚
（二）样品测试程序样品的称量：取一个，将埚盖和底一起放在天平上称量，记录埚的重量。将事先准备好的PE-PA复合薄膜放入埚，在天平上称量出复合薄膜质量。打开测试软件，按要求填写相关数据，如样品编号、质量、样品质量等。设置吹扫气和保护气均为氮气，起始温度为20摄氏度，结束温度为250摄氏度，升温速率15摄氏度1分钟。记录得到的谱图。五、数据处理仪器运行过程中已经自动把数据存入指定的文件，用分析软件打开文件，并且指定相应的坐标和单位，就能自动画出图谱，用软件提供的处理手段，我们可以得到想要的DSC数据和谱图
（二）样品测试程序 样品的称量：取一个坩埚，将坩埚盖和坩埚底一起放在天平上称量，记录坩埚的重量。 将事先准备好的 PE-PA 复合薄膜放入坩埚，在天平上称量出复合薄膜质量。 打开测试软件，按要求填写相关数据，如样品编号、坩埚质量、样品质量等。设置吹扫 气和保护气均为氮气，起始温度为 20 摄氏度，结束温度为 250 摄氏度，升温速率 15 摄氏度 /分钟。 记录得到的谱图。 五、数据处理 仪器运行过程中已经自动把数据存入指定的文件，用分析软件打开文件，并且指定相应 的坐标和单位，就能自动画出图谱，用软件提供的处理手段，我们可以得到想要的 DSC 数据 和谱图