DSC 差示扫描量热仪 培训.ppt

差示扫描量热仪DSC DifferentialScanningCalorimetry 一介绍 差示扫描量热仪 DSC 它是在程序温度控制下测量物质与参比物质之间单位时间的能量差 或功率差 随温度变化的一种技术 该信息有助于我们识别材料的热变化过程和最终使用性能 二 DSC系统组件 一个多功能DSC系统具有三个主要组件 仪器本身 其中包括电子元件系统 监测热流和温度差异的炉子和制冷附件 制冷附件的选择取决于试验期望的温度范围 炉子 制冷系统 DSC炉子 在 热流型 DSC中 密封在坩埚内的样品材料和空的参比坩埚位于炉子环绕的热电圆盘上 炉子温度变化时 会将热量通过热电圆盘传输至样品和参比坩埚 而感应器包括几组热感应器 通过区域热电偶可以测得样品和参比坩埚的温度 从而得出热流差异 为了保持DSC具有可控制的降温过程 每台DSC基本都会配备一个降温冷却系统 而制冷附件的选择取决于试验使用的温度范围 DSC一般配备的降温系统有 制冷系统 鳍形空气制冷系统 FACS 机械制冷系统 RCS 快速制冷装置 液态氮冷却系统 鳍形空气制冷系统 FACS 鳍形空气制冷系统FACS允许使用流动空气作为制冷剂进行从室温至725 C的操作 鳍形空气制冷系统 FACS 机械制冷系统 RCS 机械制冷系统 RCS 可用于DSC实验中起冷却作用 由一个以级联方式运转的两阶段式蒸汽压缩制冷系统与附加的制冷机头构成 制冷机头安装在DSC炉子之上 RCS可以用于需要在 90 C到550 C的操作温度范围内进行制冷的实验 而制冷的最大速率取决于实验的温度范围 这也是我们实验室配备的制冷系统型号 快速制冷装置可在开始加热试验前快速冷却DSC炉子至较低温度 DSC快速制冷装置安装在标准DSC炉子之上 并具备一个槽 可将制冷剂放入其中以冷却炉子 使用快速制冷装置时的温度为 180到550 C 实际范围取决于制冷剂 冰和水 干冰或液态氮 开始加热试验前 需要拆除快速制冷装置 并将外壳盖子放回原位 如果快速制冷装置用于低于 100 C的温度 那么必须将氦气用作净化气体 快速制冷装置 LNCS 液态氮冷却系统 是用于TAInstruments分析仪的通用制冷附件 可在 180 C到550 C之间自动并持续对温度进行控制 对LNCS容罐进行加压以将液态氮传递至热交换器 来冷却炉子 液态氮冷却系统 三DSC基本原理在程序温度 线性升温 降温 恒温及其组合等 过程中 当样品发生热效应时 在样品端与参比端之间产生了热流差 通过热电偶对这一热流差进行测定 即可获得如下类型的图谱 图中所示向下的为样品的吸热峰 较为典型的吸热效应有熔融 解吸等 向上的为放热峰 较为典型的放热效应有结晶 氧化 固化等 比热变化则体现为基线高度的变化 即曲线上的台阶状拐折 较为典型的比热变化效应为二级相变 包括玻璃化转变 铁磁性转变等 如图所示 向上放热 温度 四 使用DSC进行实验 启动DSC1 检查气路 打开仪器所需气体 N2 Air 2 检查DSC和控制器之间的所有连接 确保每个组件都插入到正确的接头中 3 将仪器电源开关设置到 打开 位置 正确开启电源后 TAInstruments徽标将显示在触摸屏上 这表示仪器已经可以开始使用了 注意 允许DSC在执行实验之前至少预热20分钟 根据需要连接并设置外部附件 例如 净化气体 制冷附件 如果打算运行低温实验 请正确安装并打开辅助制冷系统 注意 确保运行实验和校准系统采用相同的气体 选择并准备样品 包括准备适当大小和重量的样品 选择坩埚类型和材料 并将样品密封到坩埚中 在制备DSC样品时应注意如下要点 样品重量应保持在5 10mg 将样品切的薄一些 但不要挤压样品 如果是球型的样品 从中间截取一段横截面 尽量使样品平铺在坩埚底部 更多的覆盖坩埚 一旦准备好样品和坩埚并记录了样品信息 则可准备将样品坩埚放入DSC炉子中 按照以下说明 将样品坩埚装入炉子中 1 拆卸盖子 请触摸DSC控制菜单触摸屏上的LIDOPEN键从炉子上升起盖子 请参见右图 注意 绝对不要在炉子里使用易挥发 易分解的样品 2 小心地将样品坩埚放在升起平台的右前方 将参考坩埚放在平台的左后方 如下图所示 居中坩埚可使结果更精确 3 盖上炉子 如果DSC配备有自动加盖装置 请触摸DSC控制菜单触摸屏上的LIDDOWN键为炉子加盖 通过TA控制器输入实验和过程信息 其中包括样品信息和仪器信息 选择仪器控制软件上的 启动 触摸仪器触摸屏上的START键 Q100或Q1000 或按下辅助键盘上的Start键来开始实验 当启动仪器时 系统自动运行实验直到完成 开始实验 五 DSC操作条件影响 典型DSC转变 1 升温速率的影响 升温速率增加 单位时间产生的热效应大 产生的温度差当然也越大 峰就越高 由于升温速率增大 热惯性也越大 峰顶温度也越高 另外 曲线形状也有很大变化 上图为升温速率对高岭土脱水反应DTA曲线的影响 加热速率对数据的影响 温度 热流 加热速率对数据的影响 2 气氛的影响 气氛的成分对DSC曲线的影响很大 可以被氧化的试样在空气或氧气氛中会有很大的氧化放热峰 在氮气或其它惰性气体中就没有氧化峰了 对于不涉及气相的物理变化 如晶型转变 熔融 结晶等变化 转变前后体积基本不变或变化不大 则压力对转变温度的影响很小 DSC峰温基本不变 但对于放出或消耗气体的化学反应或物理变化 压力对平的温度有明显的影响 则DSC峰温有较大的变化 如热分解 升华 汽化 氧比 氢还原等 3 样品方面的影响 试样量的影响 试样用量越多 内部传热时间越长 形成的温度梯度越大 DTA峰形就会扩张 分辨率要下降 峰顶温度会移向高温 即温度滞后会更严重 用量越少则分辨率越高 但灵敏度下降 所以一般DSC试验都采取少量样品较高加热速度的方法来平衡灵敏度和分辨率 试样粒度 形状的影响 左图为硝酸银转变的DTA曲线 a 原始试样 b 稍微粉碎的试样 c 仔细研磨的试样 从左图中 我们可以看出 对试样要尽量均匀 最好过筛 消除热历史对材料的影响 样品的热历史指的是 在DSC测定时 聚合物的热历史不同 所测得的聚合物的Tg与Tm是不同的 聚合物在测试前经历不同的热历史 其结晶结构 晶型 非晶区分子链的排布方