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了解差示掃描量熱法(DSC)
例如,在加熱過程中樣本熔融時,DSC信號表現(xiàn)出吸熱峰。可以根據(jù)峰值確定熔融的特征溫度和焓。
有兩種不同的DSC測量方法:
熱流 DSC
由樣品和參比物形成的樣品單元的溫度在特定程序中變化,且測量樣品和參比物之間的溫差作為溫度的函數(shù)。
功率補償 DSC
測量每單位時間內(nèi)施加到樣品和參比物上的熱能差作為溫度的函數(shù),以使它們的溫度相等,同時由樣品和參比物形成的樣品單元的溫度在特定程序中變化。
DSC的工作方式?
由于當(dāng)下流行的DSC是熱流DSC,我們將重點解釋熱流DSC如何工作。將待分析的樣品和參比物置于DSC加熱爐中,并在受控條件下改變加熱爐的溫度。樣本與參比材料之間的溫差與所用溫度成函數(shù)關(guān)系。
![DSC如何工作](https://hha.hitachi-hightech.com/assets/components/phpthumbof/cache/How_does_dsc_work.aa9ea6cca0f36d02200aff4c3e0e7d2e_1.518ac42faaa0be7917a503517dc405e0.png)
樣品和熱穩(wěn)定參比物之間的溫度差表明樣品內(nèi)的狀態(tài)變化。
![輸出溫度熱圖](https://hha.hitachi-hightech.com/assets/components/phpthumbof/cache/Sample_output_differential_scanning_calorimetry_v2.aa9ea6cca0f36d02200aff4c3e0e7d2e.518ac42faaa0be7917a503517dc405e0.png)
以上輸出溫度熱圖說明了DSC分析運行的典型信息,是溫度差(熱流:y軸(mW/mg))與上升的應(yīng)用溫度(x軸)的關(guān)系圖。
基線偏移顯示了玻璃化轉(zhuǎn)變發(fā)生的溫度以及發(fā)生玻璃化轉(zhuǎn)變所需的能量。放熱峰的位置和分布情況給出了冷結(jié)晶溫度及其釋放能量的信息,吸熱峰與熔融溫度和通過該熱轉(zhuǎn)變所需的能量有關(guān)。這些信息可以確認(rèn)聚合物ID、質(zhì)量、結(jié)晶度和純度等,非常適用于檢查原材料質(zhì)量。
熱流DSC由樣品和參比物支架、熱阻、散熱器和加熱器組成。加熱器的熱量通過散熱器和熱阻提供給樣品和參比物。熱流與散熱器和支架的溫差成正比。與樣品相比,散熱器具有足夠的熱容量。
如果樣品經(jīng)歷了如轉(zhuǎn)變和反應(yīng)等吸熱或放熱現(xiàn)象。這種吸熱或放熱現(xiàn)象會暫時使樣品溫度不同于程序溫度。因此,樣品溫度將不同于熱惰性的參比溫度。樣品和參比溫度的差異與經(jīng)歷熱事件所需或釋放的能量成正比。通過使用標(biāo)準(zhǔn)物校準(zhǔn)儀器,可以精確測量經(jīng)歷熱事件所需的溫度和能量。
DSC提供了哪些熱特性信息?
DSC支持如玻璃化轉(zhuǎn)變、熔化和結(jié)晶等測量轉(zhuǎn)變。此外,還可以測量如熱固化和UV固化、熱歷史、比熱容(Cp)和純度分析等化學(xué)反應(yīng)。
近期,隨著高功能高分子材料的發(fā)展,對熱特性細(xì)微變化的分析急劇增加。
這里列出了可以用DSC測量的現(xiàn)象和獲得的信息。
![通過 DSC 測量的現(xiàn)象](https://hha.hitachi-hightech.com/assets/components/phpthumbof/cache/Phenomena_measured_by_dsc_v2.aa9ea6cca0f36d02200aff4c3e0e7d2e.jpg)
決定材料是否適用給定應(yīng)用的兩個主要基本材料特性是玻璃化轉(zhuǎn)變和熔融。
玻璃化轉(zhuǎn)變(Tg)表示在一定溫度下,物質(zhì)從玻璃態(tài)(硬)轉(zhuǎn)變?yōu)橄鹉z態(tài)(軟),反之亦然。玻璃化轉(zhuǎn)變將出現(xiàn)在含有缺乏有序性的非晶相的材料中。 可以通過工藝或添加添加劑來控制溫度和材料非晶的程度,這將給予所需的材料機械特性。 確定玻璃化轉(zhuǎn)變?yōu)椴牧系纳a(chǎn)參數(shù)優(yōu)化、質(zhì)量控制和失效分析提供了溫度上下限。
熔點(Tm)表示發(fā)現(xiàn)第一可檢測液相的溫度點,此時未遺留固體材料??梢詸z測結(jié)晶和半結(jié)晶材料的熔點,且其熔化焓可用于確定材料的純度和結(jié)晶度。
如何解釋特定于ASTM方法的DSC結(jié)果
我們選擇了ASTM E794-06(2018)熱分析熔融和結(jié)晶溫度的標(biāo)準(zhǔn)試驗方法作為例子,通過解釋結(jié)果加以討論。
本試驗方法描述了通過差示掃描量熱法(DSC)和差示熱分析法(DTA)測定純材料的熔融(和結(jié)晶)溫度。
以下DSC曲線顯示了這種技術(shù)如何區(qū)分不同類型的聚合物。聚合物因類型和組成不同而具有不同的熔融溫度(添加劑的類型或濃度)。以下例子顯示了兩種類型的聚乙烯(高密度和低密度),它們的熔點不同。聚合物的熔融溫度取熔融過程的峰值。
![聚合物的熔點](https://hha.hitachi-hightech.com/assets/components/phpthumbof/cache/melting_points_of_polyethylene_v2.aa9ea6cca0f36d02200aff4c3e0e7d2e.518ac42faaa0be7917a503517dc405e0.png)
該測量結(jié)果可用于確認(rèn)進(jìn)料的原材料標(biāo)識、檢測微量雜質(zhì)(如聚乙烯中的聚丙烯)以及最終產(chǎn)品規(guī)格。它適用于粉末、薄膜或顆粒。
使用DSC的優(yōu)勢?
DSC可能是四種熱分析技術(shù)中十分流行的一種,溫度范圍較寬使其能夠檢測到大范圍的轉(zhuǎn)變。測量材料的轉(zhuǎn)變也很容易,尤其是對于玻璃化轉(zhuǎn)變很重要的聚合物。
日立DSC分析儀系列可實現(xiàn)明顯更好的熱分析
DSC儀器具有非常高效的靈敏度和基線重現(xiàn)性,能夠提供更精確的試驗,甚至能夠評價微小的熱事件。創(chuàng)新型Real View®相機系統(tǒng)在測量過程中提供實時觀察結(jié)果,從而進(jìn)行顏色分析、測量尺寸變化以及了解非預(yù)期結(jié)果。在測量過程中查看樣品圖像也有助于與同事和可能不了解這項技術(shù)的客戶分享結(jié)果。DSC200為常規(guī)應(yīng)用提供了技術(shù),無任何限制,是各種應(yīng)用場景的理想選擇。DSC600專門設(shè)計用于滿足十分先進(jìn)的材料開發(fā)和失效分析,這要歸功于其靈敏度和分辨率,尤其是用于應(yīng)用研究領(lǐng)域中。