聚合物材料的差示扫描量热法（DSC）分析实验
一、实验目的与要求
1．了解差示扫描量热法分析的原理
2．通过实验掌握差示扫描量热分析的实验技术
3．使用差示扫描量热分析仪测定高聚物的Tg、Tm
二、仪器和材料
聚丙烯、低压聚乙烯、a-Al2O3
Diamond DSC 美国PE公司
三、基本原理
差示扫描量热分析法（DSC）是在程序控制温度下，测量输入到试样和参比物的功率差与温度之间关系的一种技术，试样和参比物分别由单独控制的电热丝加热，根据试样中的热效应，可连续调节这些电热丝的功率，用这种方法使试样和参比物处于相同的温度下，达到这个条件所需的功率差作为纵坐标，系统的温度参数作为横坐标，一起由记录仪进行记录。
根据测量方法的不同，又分为两种类型：功率补偿型DSC和热流型DSC。DSC的主要特点是使用的温度范围比较宽（-160~600oC），分辨的能力高和灵敏度高。
3.1.功率补偿型DSC测量的基本原理
3.2.功率补偿型DSC仪器的主要特点
1.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，使试样和参比物以预定的速率升温，另一套用来补偿二者之间的温度差。
2.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T等于0。
3.3.热流型DSC
这种DSC的不同之处在于试样与参比物托架下，置一电热片，加热器在程序控制下对加热块加热，其热量通过电热片同时对试样和参比物加热，使之受热均匀.
3.4 DSC曲线
纵坐标：热流率
横坐标：温度T (或时间t)
峰向上表示吸热
向下表示放热
在整个表观上，除纵坐标轴的单位之外，DSC曲线看上去非常像DTA曲线。像在DTA的情形一样，DSC曲线峰包围的面积正比于热焓的变化。
3.5 影响DSC的因素
由于DSC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：
1.实验条件：程序升温速率Φ，气氛
2.试样特性：试样用量、粒度、装填情况、试样的稀释等。
3.5.1.实验条件的影响(1).升温速率Φ
主要影响DSC曲线的峰温和峰形，一般Φ越大，峰温越高，峰形越大和越尖锐。
实际中，升温速率Φ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类和转变的类型密切相关。
在DSC定量测定中，最主要的热力学参数是热焓。一般认为Φ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(I、II、III、IV)之间的转变过程。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。
(2).气氛
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DSC峰温和热焓值的影响。实际上，气氛的影响是比较大的。
如在He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He的热导性约是空气的5倍，温度响应比较慢，而在真空中温度响应要快得多。
3.5.2.试样特性的影响
1)试样用量：不宜过多，多会使试样内部传热慢，温度梯度大，导致峰形扩大、分辨力下降。
2）试样粒度
影响比较复杂。
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。
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导致相类似的结果。
对干带静电的粉状试样，由于粉末颗粒间的静电引力使粉状形成聚集体，也会引起熔融热焓变大。
3）试样的几何形状
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。
3.6 DSC的应用
鉴于DSC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变化过程均可采用DSC来进行测定。
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，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化学参数。
1.玻璃化转变温度Tg的测定
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动开始，因而热容变大，用DSC可测定出其热容随温度的变化而改变。
2.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。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。
3.结晶度的测定
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DSC 测定高聚物的百分结晶度，先根据高聚物的DSC熔融峰面积计算熔融热焓ΔHf ，再按下式求出百分结晶度。
ΔHf*的测定用一组已知结晶度的样品作出结晶度ΔHf图，然后外推求出100％结晶度ΔHf*.
四、实验步骤
1.测试前的准备工作
（1）打开仪器测量部分的气路的按钮，调节气瓶上压力表的减压阀，使气体的流速为10ml/min。
（2）打开总电源，打开计算机及其控制软件，点击cover heat 按钮，然后启动冷冻机，冷却到指定温度。
（3）升温至加样温度，待机备用。
2、试样准备
先将试样制成细粉状并通过80~100目的筛孔，称取聚丙烯和低压聚乙烯的混合物（重量比3：1混合）精确称取试样（约10毫克）装入试样坩埚、并用封盖器封盖，保证坩埚完好，隋性参比物a-Al2O3填充于另一坩埚中，样品量一般不超过坩埚容积的2/3。
3. 测样
打开样品室旋盖，将称量好并密封完好的坩埚迅速放入指定的样品室，并尽快闭合样品室。
打开计算机中的应用程序，根据不同样品要求，编制相应的程序进行测试。
当试验结束，计算机提示试验正常结束，这时可以从测量程序直接进入分析程序。
4、结束实验
实验结束，取出样品坩埚，停机并关闭所有电源，24小时后关闭氮气保护气氛
五、注意事项
1．由于本仪器面板许多参数是出厂设定值，不能任意更改，以免影响仪器正常运行；
2．试样装填和取出动作要轻稳，一般情况由试验老师操作；
3．不得随意更改计算机中的预设参数和端口设置等。
思考题
1．差示扫描量热分析（DSC）的基本原理是什么？
2．差示扫描量热分析分析在纤维材料的分析中有哪些应用？