差示扫描量热仪.pptx
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1、会计学1差示扫描量热仪差示扫描量热仪第一章DSC基本原理第1页/共46页DSC定义定义程序控温条件下,测量在升温、降温或恒温过程中品所吸收与释放出的热量Q200DSC炉子炉子第2页/共46页原理原理DSC监测样品和参比温度差(热流)随时间或温度变化而变化的过程。样品和参比处于温度相同的均温区,当样品没有热变化的时候,样品端和参比端的温度均按照预先设定的温度变化,温差T=0。当样品发生变化如熔融,提供给样品的热量都用来维持样品的熔融,参比端温度仍按照炉体升温,参比端温度 会高于样品端温度从而形成了温度差。把这种温度差的变化转变为热流差再以曲线记录下来,就形成了DSC的原始数据。第3页/共46页假
2、设:1,传感器绝对对称,Tfs=Tfr,Rs=Rr=R2,样品和参比端的热容相等Cpr=Cps3,样品和参比的加热速率永远相同4,样品盘及参比盘的质量(热容)相等5,样品盘、参比盘与传感器之间没有热阻或者热阻相等q-热流,T-样品参比温差,R-热阻DSC的基础公式的基础公式第4页/共46页n n炉体把热量传到样品端和参比端,假设传到样品端的热炉体把热量传到样品端和参比端,假设传到样品端的热阻阻RsRs小于传到参比端的热阻小于传到参比端的热阻Rf,Rf,一定导致传到样品端的热一定导致传到样品端的热多于参比端的热从而导致一个多于参比端的热从而导致一个TT的产生。或者相同热量的产生。或者相同热量传到
3、样品端和参比端,假设样品端热容传到样品端和参比端,假设样品端热容CsCs小于参比端热小于参比端热容容Cf,Cf,一定导致样品端温度高于参比端而产生一个一定导致样品端温度高于参比端而产生一个TT,这些这些TT都是由于系统引起,不是样品热反应引起,我们都是由于系统引起,不是样品热反应引起,我们称之为热阻热容的不平衡称之为热阻热容的不平衡实际测试过程实际测试过程第5页/共46页热阻抗的不平衡部分热容量的不平衡部分加热速率的不平衡部分第6页/共46页如上因素,我们需要测量仪器整个温度范围内,样品端和参比端热阻和热容随温度变化的数值。并且要把这些不平衡因素消除。我们把这种测量称之为T0校正,其实叫热阻热
4、容测量更准确。第7页/共46页第二章第二章 DSC在高分子材料的应用在高分子材料的应用第8页/共46页测量熔融温度、玻璃化转变、氧化诱导时间(温度)测相变热焓及结晶度、测研究结晶动力学测化学反应热焓、研究固化反应及反应动力学表征聚合物相容性应用应用第9页/共46页DSC典型综合图谱温度热流-放热玻璃化转变结晶熔化交联 (固化)氧化 或分解第10页/共46页一般在一般在DSC热谱图中,吸热热谱图中,吸热(endothermic)效应用凸起的峰效应用凸起的峰值来表征值来表征(热焓增加热焓增加),放热,放热(exothermic)效应用反向的峰值效应用反向的峰值表征表征(热焓减少热焓减少)。DSCD
5、SC曲线曲线热焓变化率,热流率(heat flowing),单位为毫瓦(mW)吸收热量,样品热容增加,基线发生位移结晶,放出热量,放热峰;晶体熔融,吸热,吸热峰第11页/共46页DSC应用:熔融温度(熔点)的测定是否所有物质都有熔点?什么是熔点?第12页/共46页熔点是晶体将其物态由固态转变(熔化)为液态的过程中固液共存状的温度。结晶聚合物如尼龙、聚乙烯、聚丙烯、聚甲醛等材料.第13页/共46页熔融与结晶熔融与结晶表征熔融的四个参数:表征熔融的四个参数:1.1.吸热峰峰值吸热峰峰值2.2.初始熔融温度初始熔融温度3.3.吸热峰面积吸热峰面积4.4.熔融结束温度熔融结束温度表征结晶的两个参数:表
6、征结晶的两个参数:1.1.放热峰峰值放热峰峰值2.2.放热峰面积放热峰面积峰的形状峰的数目峰的位置峰的面积物质的性质决定定性定量第14页/共46页DSCDSC测定熔点推荐程序测定熔点推荐程序测定熔点推荐程序测定熔点推荐程序 样品用量样品用量510mg510mg 以以1010/min/min加热至熔融外推终止温度加热至熔融外推终止温度TefmTefm以上以上3030或或5050,以消除材,以消除材料热历史料热历史 以以1010/min/min将温度降到预期的结晶温度将温度降到预期的结晶温度TefcTefc以下以下3030或或5050 再以再以1010/min/min加热至熔融外推终止温度加热至熔
7、融外推终止温度TefmTefm以上以上3030或或5050测定测定TmTm 对比测定前后样品的重量,如发现有失重则重复以上过程对比测定前后样品的重量,如发现有失重则重复以上过程常用测试标准:常用测试标准:ISO 11357-3-2011,ASTM E794-06(2012)ISO 11357-3-2011,ASTM E794-06(2012),ASTM D3418-ASTM D3418-121211、GB 19466.3-2004GB 19466.3-2004第15页/共46页金属铟的熔点,其DSC曲线近似一条垂直线,其熔点通常取外推起始温度,吸收峰的面积为热焓应用实例:熔融温度及热焓测试第1
8、6页/共46页高分子聚合物熔融温度范围较为宽广,在整个熔融过程中可能伴有复杂的熔融/重结晶/晶型调整过程,高分子的熔点通常取峰值温度第17页/共46页应用实例:一般物质的鉴定应用实例:一般物质的鉴定应用实例:一般物质的鉴定应用实例:一般物质的鉴定PA 6PA 66根据熔点,可以对结晶高分子进行定性鉴别第18页/共46页应用实例:混合物和共聚物的定性检应用实例:混合物和共聚物的定性检应用实例:混合物和共聚物的定性检应用实例:混合物和共聚物的定性检测测测测PEPPPP+PE在聚丙烯与聚乙烯共混物中它们各自保持了自身的熔融特性,因此呈现出PP与PE的熔点第19页/共46页应用实例:混合物和共聚物的定
9、量检测应用实例:混合物和共聚物的定量检测应用实例:混合物和共聚物的定量检测应用实例:混合物和共聚物的定量检测第20页/共46页应用:监控产品质量应用:监控产品质量应用:监控产品质量应用:监控产品质量FDA对于食品接触类聚烯烃材料的熔点有着明确的规范要求!第21页/共46页应用:监控产品质量应用:监控产品质量应用:监控产品质量应用:监控产品质量M&M巧克力,不溶在手,只溶在口第22页/共46页DSC应用:玻璃化转变应用:玻璃化转变是否所有物质都存在玻璃化转变?什么是玻璃化转变?第23页/共46页玻璃化转变玻璃化转变玻璃化转变玻璃化转变(Tg)(Tg)n n玻璃化转变:玻璃化转变:无定形或半结晶聚
10、合物无定形或半结晶聚合物,从黏流,从黏流态或高弹态向玻璃态的转变温度态或高弹态向玻璃态的转变温度n n无定形高聚物或结晶高聚物无定形部分无定形高聚物或结晶高聚物无定形部分在升温在升温达到它们的玻璃化转变,被冻结的分子微布朗达到它们的玻璃化转变,被冻结的分子微布朗运动开始,因而热容变大,运动开始,因而热容变大,DSCDSC基线向基线向吸热吸热一一侧偏移侧偏移第24页/共46页聚苯乙烯聚苯乙烯聚苯乙烯聚苯乙烯(PS)(PS)玻璃化转变温度时热熔与热流的变化玻璃化转变温度时热熔与热流的变化玻璃化转变温度时热熔与热流的变化玻璃化转变温度时热熔与热流的变化第25页/共46页测量、报道玻璃化转变玻璃化转变
11、永远是一个温度范围。与玻璃化转变相关的分子运动是有温度依赖性的。因此,Tg随着加热速率或者测试频率(MDSC,DMA等)的增加而提高。当需要报道玻璃化温度时候,一定要说明测试方法(DSC、DMA等等)、实验条件(加热速率、样品尺寸等等)以及Tg是如何确定的(1/2Cp的中点,或者是拐点,或者是求导后的峰值)。第26页/共46页玻璃化转变分析玻璃化转变分析聚苯乙烯9.67mg 10C/min第27页/共46页玻璃化转变分析玻璃化转变分析玻璃化转变分析玻璃化转变分析聚苯乙烯9.67mg 10C/min第28页/共46页玻璃化转变是可逆的玻璃化转变是可逆的玻璃化转变是可逆的玻璃化转变是可逆的第29页
12、/共46页玻璃化转变温度测定的推荐程序玻璃化转变温度测定的推荐程序玻璃化转变温度测定的推荐程序玻璃化转变温度测定的推荐程序n n样品用量样品用量10151015毫克毫克n n以以2020/min/min加热至加热至TgTg以上以上3030或或5050n n以最快速度或以最快速度或2020/min/min将温度降到将温度降到TgTg以下以下3030或或5050n n再以再以2020/min/min加热测定加热测定TgTgn n对比测定前后样品的重量,如发现有失重则重复以上过程对比测定前后样品的重量,如发现有失重则重复以上过程常用测试标准:ASTMD3418-121、ISO11357-2-2013
13、、GB/T19466.2-2004第30页/共46页DSCDSC应用:氧化诱导时间应用:氧化诱导时间应用:氧化诱导时间应用:氧化诱导时间n n氧化诱导时间氧化诱导时间(oxidation induction time)(oxidation induction time):指常压、氧气或空气气氛及在规定:指常压、氧气或空气气氛及在规定温度下,通过量热法测定材料出现氧化放热的时间。表征稳定化材料耐氧温度下,通过量热法测定材料出现氧化放热的时间。表征稳定化材料耐氧化分解的一种相对度量化分解的一种相对度量。第31页/共46页DSC应用:固化度的测定应用:固化度的测定树脂基体固化程度,用DSC的实验结果
14、表示为试样在某个条件下测出的固化反应热与未固化试样完全固化的总反应热之比的百分数DC(fractionreacted)=(Ht-H)100%/Ht=(1-H/Ht)100%Ht:未固化样品的完全固化总的反应热H:样品的固化反应热测试标准:ASTME2160-04(2012)和HB7614-1998第32页/共46页DC(fractionreacted)=(Ht-H)100%/Ht=(225.43J/g-37.490J/g)*100/225.43J/g=83%根据以上数据计算固化度:第33页/共46页第三章第三章 实验技巧实验技巧升温速率样品用量灵敏度与分辨率样品粒度与堆积方式气氛坩埚类型的选择
15、坩埚加盖与否的选择第34页/共46页热分析实验技巧热分析实验技巧热分析实验技巧热分析实验技巧 升温速率升温速率升温速率升温速率n n快速升温:易产生快速升温:易产生反应滞后,样品内反应滞后,样品内温度梯度增大,峰温度梯度增大,峰(平台)分离能力(平台)分离能力下降;对下降;对 DSC DSC 其基其基线漂移较大,但能线漂移较大,但能提高灵敏度。提高灵敏度。n n慢速升温:有利于慢速升温:有利于DTADTA、DSCDSC、DTGDTG相邻峰的分离;相邻峰的分离;TGTG相邻失重平台的分相邻失重平台的分离;离;DSC DSC 基线漂移基线漂移较小,但灵敏度下较小,但灵敏度下降。降。对于 TG 测试
16、,过快的升温速率有时会导致丢失某些中间产物的信息。一般以较慢的升温速率为宜。对于 DSC 测试,在传感器灵敏度足够的情况下,一般也以较慢的升温速率为佳。第35页/共46页热分析实验技巧热分析实验技巧热分析实验技巧热分析实验技巧 样品用量样品用量样品用量样品用量n n样品量小:减小样品内的温度梯度,测得特征温度较低更样品量小:减小样品内的温度梯度,测得特征温度较低更“真实真实”;有利于气体产物扩散,减少化学平衡中的逆向反应;相邻峰(平台)有利于气体产物扩散,减少化学平衡中的逆向反应;相邻峰(平台)分离能力增强,但分离能力增强,但 DSC DSC 灵敏度有所降低。灵敏度有所降低。n n样品量大:能
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