新品推薦|差示掃描量熱儀(DSC)原理與應用

  • 更新時(shí)間:2023-08-03
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前言

DSC-40A是一款由仰儀科技開(kāi)發(fā)的差示掃描量熱儀新產(chǎn)品。該產(chǎn)品使用毫克級樣品量,可測定玻璃化轉變溫度、熔點(diǎn)、結晶溫度、結晶度、熔融焓、結晶焓、結晶動(dòng)力學(xué)、反應動(dòng)力學(xué)參數、比熱容、材料相容性和膠凝轉化率等基礎數據,廣泛應用于高分子材料、生物醫藥、無(wú)機非金屬材料、石油化工、金屬材料、含能材料、食品工業(yè)等領(lǐng)域的熱力學(xué)和動(dòng)力學(xué)研究。本文選取高分子材料和鋰離子材料等典型樣品,利用DSC曲線(xiàn)反映的各種參數信息,揭示熱過(guò)程和熱處理對材料組成、相態(tài)變化和物化性質(zhì)的重要影響。

圖1 仰儀科技DSC-40A差示掃描量熱儀

原理與應用

1. DSC工作原理1955年,Boersma 改進(jìn)了DTA設備,可使得掃描過(guò)程中樣品的熱流與溫差呈穩定的線(xiàn)性關(guān)系,從而可以定量測量熱流,標志著(zhù)“熱流型”DSC的誕生。相比“功率補償型”DSC,“熱流型”DSC具有基線(xiàn)平穩、靈敏度高、使用和維護成本低等優(yōu)勢。后續隨著(zhù)DSC技術(shù)的發(fā)展與進(jìn)步,關(guān)于DSC熱流測定的方法不斷完善,儀器精密度與準確度不斷提高,為熱分析科學(xué)的進(jìn)步發(fā)展奠定了基礎。熱流型DSC的主要組件被置于一個(gè)封閉的圓柱形銀質(zhì)爐腔中,通過(guò)連接到加熱塊上的熱流傳感器將熱量傳遞至樣品。熱流傳感器主體為鎳鉻合金結構,兩個(gè)凸起平臺分別支撐樣品盤(pán)和參考盤(pán)。銅鎳合金盤(pán)焊接至平臺背面,形成測溫熱電偶準確測定樣品和參比溫度。在熱流型DSC中,當爐體溫度以恒定速率變化時(shí),實(shí)時(shí)測量進(jìn)入樣品盤(pán)和參考盤(pán)的熱流差,并通過(guò)熱流校正獲得樣品真實(shí)吸放熱功率值。仰儀科技新品DSC-40A考慮并校準了熱流傳感器參比和樣品端物理特性及加熱速率差異帶來(lái)的影響,因此相較于傳統DSC具有更優(yōu)異的分辨率和靈敏度。

圖2 熱流型DSC典型爐體結構[1]

2. DSC研究玻璃化轉變過(guò)程
玻璃化轉變表示高分子材料從“玻璃態(tài)”轉變?yōu)椤跋鹉z態(tài)”的過(guò)程。在玻璃化溫度Tg以下,分子運動(dòng)基本凍結;到達Tg時(shí),分子運動(dòng)活躍起來(lái),熱容量增大,曲線(xiàn)向吸熱一側偏移。非晶態(tài)不相容的二元共聚物一般有兩個(gè)玻璃化轉變,而且玻璃化轉變特性有所不同。圖3是苯乙烯-丁二烯-苯乙烯(SBS)的嵌段共聚物的DSC曲線(xiàn),曲線(xiàn)B和曲線(xiàn)S分別代表有一定交聯(lián)的聚丁二烯和聚苯乙烯均聚物的熱轉變曲線(xiàn)。共聚后的熱塑性彈性體SBS有兩個(gè)玻璃化轉變溫度Tg1和Tg2,分別向高溫側和低溫側偏移。玻璃化轉變溫度可以分析材料凝聚態(tài)結構,指導科學(xué)研究和工業(yè)生產(chǎn)。

圖3 SBS嵌段共聚物的DSC曲線(xiàn)[2]
3. DSC研究結晶過(guò)程

依據結晶動(dòng)力學(xué)測定標準GB/T 19466.7,利用差示掃描量熱法研究聚合物結晶動(dòng)力學(xué)。在 1、2、4、6、8°C/min 的降溫速率下,聚丙烯PP的熔體結晶 DSC 放熱曲線(xiàn)如圖4所示。在不同的降溫速率下,結晶峰均顯示一個(gè)單峰。隨著(zhù)降溫速率的升高,結晶放熱峰呈現寬度逐漸變大且不斷向低溫方向偏移的趨勢。通過(guò)切線(xiàn)法可以獲得不同降溫速率下的結晶放熱峰峰溫 Tp 與結晶峰起始溫度 T0的值。DSC曲線(xiàn)幫助用戶(hù)更好地理解物質(zhì)的熱性質(zhì)和結晶行為。

圖4 不同降溫速率下的 PP 熔體結晶 DSC 曲線(xiàn)[3]

4. DSC研究氧化誘導期氧化誘導期(OIT)是測定試樣在高溫氧氣條件下開(kāi)始發(fā)生自動(dòng)催化氧化反應的時(shí)間。通過(guò)差示掃描量熱法測定聚烯烴氧化誘導時(shí)間,能夠快速準確地評價(jià)聚烯烴的熱氧化穩定性,為聚烯烴產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)研究、生產(chǎn)加工、性能評價(jià)等提供技術(shù)支持。如圖5所示,在氮氣流中以一定速率程序加熱聚烯烴至試驗溫度,達到設定溫度后恒溫3min,以氧氣切換點(diǎn)t1記為試驗的零點(diǎn),繼續恒溫,直到放熱顯著(zhù)變化點(diǎn)出現,最后切線(xiàn)外推得到氧化誘導時(shí)間t3。


圖5 聚丙烯氧化誘導時(shí)間DSC曲線(xiàn)[4]
5. DSC研究鋰電池材料分解動(dòng)力學(xué)通過(guò)多重掃描速率下的DSC曲線(xiàn),使用Kissinger 法研究鋰離子電池聚合物電解質(zhì)熱解動(dòng)力學(xué)。如圖6所示,PEO固態(tài)聚合物電解質(zhì)有三個(gè)主要吸熱峰。第一個(gè)分解階段為100.9~131.2℃,代表PEO全固態(tài)聚合物電解質(zhì)的熔融峰;第二個(gè)分解階段為131.3~258.3℃,推測為PEO中活化能較低的側鏈斷裂,反應生成分子量較低的聚合物,吸收大量的熱。第三個(gè)分解階段為258.4~378.7℃,代表PEO基體主鏈發(fā)生熱解。動(dòng)力學(xué)參數見(jiàn)表1。

圖6 PEO基全固態(tài)鋰離子聚合物電解質(zhì) DSC 曲線(xiàn)[5]

表1 鋰電池材料Kissinger法熱分解動(dòng)力學(xué)參數[5]

6. DSC測量電池材料比熱

以藍寶石作為標準試樣,使用經(jīng)典的“三步法”測量復合陰極(a)和電池聚合物電解質(zhì)(b)的比熱。結果表明,在80~120℃范圍內,聚合物電解質(zhì)和復合陰極熱容與溫度呈線(xiàn)性相關(guān)。

圖7 比熱測定結果[6]

7. DSC水分定量分析<