材料热分析专项课程.ppt

1、第8章 材料热分析,8.1热分析概述,热分析：程序控温下，测量材料物理性质与温度之间关系的一种技术。 升温或降温材料结构、相态、化学性质物理性质变化（质量、温度、尺寸、声、热、光、力、电、磁等） 材料结构鉴定、热力学参数、动力学数据指导生产、控制质量,热分析起始于1887年，发展至今分为9类17种,热分析特点： 1、 温度的变化是受程序控制的； 2、 一种很简便地测定因温度变化而引起材 料物性变化的方法。 现代热分析仪组成： 程序控温系统、测量系统、显示系统、 气氛控制系统、操作控制和数据处理系统,8.2 热重分析TG,原理 在程序升温的环境下，测量试样的重量对温度（或时间）的依赖关系，分为变

2、位法和零位法 变位法：根据天平梁倾斜度与质量变化成比例的关系，用差动变压器等检测倾斜度，并记录 零位法：采用差动变压器法、光学法测定天平梁的倾斜度，然后调整安装在天平系统和磁场中线圈的电流，使线圈转动以恢复天平梁的倾斜，其电流与质量成比例 横坐标为温度T（时间t），纵坐标为样品保留重量的分数,微商曲线的表示及意义 TG：m-T(t)的变化，是一级导数 DTG:m-T(t)变化的函数关系，是峰形曲线 DTG可得出最大反应速率的温度(峰值），以及反应终止的温度，而TG曲线很难 DTG曲线峰面积与样品对应的质(重)量变化成正比，可准确的进行定量分析 能够消徐TG曲线存在整个变化过程各阶段变化互相衔接

3、而不易分开的毛病，以DTG的最大峰值为界把热失重阶段分成两部分,TG、DTG的比较,影响TG的因素 1、样品盘的影响 2、挥发物冷凝的影响 3、升温速度的影响（热滞后） 4、气氛的影响（动态） 5、样品的影响（用量、粒度）,TG应用须注意的问题 分析前，样品必须干燥，腐蚀性样品须用铂金坩埚 样品须置于惰性气体中测定 2-5mg，5-10 /min。升温过快或过慢会使TG曲线向高温或低温偏移 3.3 连用技术 DTA-TG、DSC-TG、FTIR-TG,TG的应用,TG曲线关键温度的表示法 A点叫起始分解温度，是TG曲线开始偏离基线点的温度；B点叫外延起始温度，是曲线下降段切线与基线延长线的交点

4、。C点叫外延终止温度，是这条切线与最大失重线的交点。D点是TG曲线到达最大失重时的温度，叫终止温度。E、F、G分别为失重率为5、10、50时的温度，失重率为50的温度又称半寿温度 其中B点温度重复性最好，所以多采用此点温度表示材料的稳定性 美国ASIM规定把过5与50两点的直线与基线的延长线的交点定义为分解温度 国际标准局(ISO)规定，把失重20和50两点的直线与基线的延长线的交点定义为分解温度,曲线关键温度表示法 A-起始分解温度；B-外延起始温度 C- 外延终止温度 ；D-终止温度 E-分解5的温度 F-分解10%的温度 G-分解50%的温度(半寿温度),TG是重量表示方法 A点至B点温

5、度失重率为： （99.5-50）/10049.5% C点至D点温度失重率为： （50-24.5）/100=25.5%,TG曲线,热稳定性的评价 聚合物热分解过程的许多规律可以通过热重分析进行研究：其中包括聚合物的热稳定性的测定，共聚物、共混物体系的定量分析、含量和添加剂水含量的测定等等,热重法因其快速简便,已经成为研究聚合物热变化过程的重要手段,图ABS塑料在不同升温速率下的热重曲线 升温速率1:5K/min;2:10K/min； 3: 15K/min,影响热重曲线的因素主要也是升温速率、样品用量和样品颗粒大小也有影响，如下图是ABS塑料在不同升温速率下的热重曲线，可以看出,升温速率越大，分解

6、温度越滞后；同样道理，样品的用量、颗粒大小对热重曲线的影响与DSC曲线的影响相似，因此在进行热重分析时，样品尽量制备成细小颗粒，并装填紧密，使样品颗粒间接触良好，有利于热传导，减小热滞后现象，样品用量大,样品内部温度梯度也大，而且反应产物的扩散作用也慢,因此实验时尽量使用少量的样品,下图为五种聚合物的热重曲线 由图可知，PMMA、PE、PTEF可以完全分解，但热稳定性依次增加。PVC稳定性较差，第一步失重阶段是脱HCl，发生在200-300，脱HCl后分子内形成共扼双健，热稳定性提高(TG曲线下降缓慢)，直至较高温度约420时大分子链断裂，形成第二次失重；PMMA分解温度低是分子链中叔碳和季碳

7、原子的键易断裂所致，PTEF是由于链中CF键键能大，故热稳定性大大提高。聚酰亚胺PI由于含有大量的芳杂环结构，需850才分解40左右，热稳定较强,几种高聚物的TG曲线 1、PVC；2、PMMA；3、PE；4、PTEF；5、PI,在比较热稳定性时，除了失重的温度外，还需比较失重速率，比较右图中三条TG曲线，显然c的热稳定性比a b强，而a与b虽然失重的起始温度相同，但a的斜率大于b说明a的失重速率大于b，所以a的热稳定性最差。,热稳定性比较示意图,组成的剖析 TG用于分析聚合物中各种添加剂和杂质有独到之处，即快速、简便。,图用确定聚丁酸乙烯酯（）树脂中增塑剂的含量 正已烷萃取了增塑剂的； 增塑剂

8、；纯,添加剂的分析 应用法分析聚合物中的各种添加剂（包括有机的和无机的添加剂）比一般的方法简单方便并有其独特之处。下图表示法能快速测定增塑剂的含量，条曲线分别为：不含增塑剂的聚丁酸乙烯酯；含有增塑剂的聚丁酸乙烯酯；用正已烷萃取了增塑剂的聚丁酸乙烯酯。曲线的前半部分是由于增塑剂的挥发造成的失重，由此可算出增塑剂的含量，若升温速率很小或在等温条件下试验，则可得到更精确的结果。,右图是玻璃钢成分分析曲线，TG上有三个拐点，分别对应失水(100附近失水2)，和在400-600之间的两步分解(树脂共失重80)，最后不分解的是玻璃，失重率为18,玻璃钢的TG曲线,图A是用SlO2和炭黑填充的聚四氟乙烯的T

9、G曲线，先在N2中加热至600，再切换成空气继续加热到700 ，烧掉碳黑，就能分别对碳黑和SiO2进行定量,图A 聚四氟乙烯的TG曲线样品 l0mg，5min,图B是填充了油和炭黑的乙丙橡胶的TG和DTG曲线。首先在N2中测定乙丙共聚物和油的含量(升温到400左右)，再切换成空气烧掉炭黑(升温到600 左右)，从而又可获得炭黑的含量和残渣量,图B 乙丙橡胶的TG和DTG曲线,测定PVC中邻苯二辛酯(DOP)增塑剂的含量，也可以确定PVC的组成比；左图中DOP：29%，PVC：67%；填料：3.5% 右图DOP：8%，PVC：92%,发泡剂的含量测定及加工工艺的确定 由右图知发泡剂含量分别为5.

10、5%、14.5%；最佳成型温度为200,测定聚乙烯中发泡剂的TG曲线 180以前升温速率100min；180-210 升温速率5min； 210-700 升温速率50/min,助燃剂含量及效果 加阻燃剂与不加阻燃剂聚丙烯的TG曲线见右图，阻燃剂含量为0.5%，聚丙烯的热分解温度明显提高,共混物与共聚物的分析 共聚物的热稳定性总介于种均聚物的热稳定性间，且随共聚物组成而有规律地变化。 乙烯乙酸乙烯酯共聚物在分解初期迅速而定量地放出乙酸，只有在惰性气氛和高温条件下，才出现残留的碳氢链段的分解。下图是典型的乙烯乙酸乙烯酯共聚物的曲线，从初期失重可估计出共聚物的组分 乙酸乙酯含量%=乙酸乙酯相对分子量

11、乙酸相对分子量TG曲线第一阶段失重量,图 乙烯和乙酸乙烯酯共聚物的曲线,无规共聚物TG曲线b介于a和d之间，只有一个分解过程；嵌段聚物c曲线也介于a和d均聚物之间，但有二个分解过程；TG分析能快速、方便、判断是无规共聚还是嵌段共聚物,苯乙烯-甲基苯乙烯共聚物的热稳定性 a、聚苯乙烯；b、无规共聚物；c、苯乙烯-甲基苯乙烯嵌段共聚物；d、 聚-甲基苯乙烯,挥发物的分析 将树脂置于比挥发物沸点高的温度下并保持一定的时间，可以测定树脂中挥发物的含量右图是以的升温速度将树脂升温至，并在下保持后测定的几种树脂中挥发物含量的结果，表明在聚丙烯树脂、聚丙烯酸树脂、树脂中挥发物的含量分别为，。,用热重法研究聚

12、合物固化 对固化过程中失去低分子物的缩聚反应，可用热重法研究 下图是酚醛树脂固化TG曲线，在140240系列等温固化过程中，固化程度随固化温度的提高而增加，而在260时固化程度反而下降，这是利用酚醛树脂固化过程中生成水，测定脱水失重量最多的固化温度，其固化程度必然最佳，从而确定则240为该树脂最佳固化温度。另外还可以从图中看出，不同固化温度的酚醛树脂，相同固化时间，其热稳定性的优劣次序，自上而下热稳定性逐渐提高。,酚醛树脂等温固化的TG曲线,聚合物的降解反应动力学 化学反应动力学是研究化学反应的速度随时间、浓度、温度变化的关系，最终求出活化能，并对反应机理进行解释 质量作用定律：V=Kcn；v

13、=k(1-x)n K:反应速率常数（T函数); c：反应物浓度；x：产物浓度；n:反应级数；V:反应速率 阿伦尼斯(Arrhenius)方程：K=Ae-E/RT lnK=lnA - E/RT E：活化能；A：频率因子；R：气体常数 以lnK对1/T作图得直线，斜率为E/R，截距为lnA,TG法 计算失重率（变化率） =m/ m m：最大失重量； m：T（t）时的是重量 m=m0-m ; m=m0- m m: T（t）时的质量；m0 ：初始质量；m：最终质量 热分析动力学基本关系式为：d/dt=K(1-)n；K=Aexp（-E/RT) d/dt=Ae-E/RT (1-)n 把升温速率=dT/dt

14、代入上式得： 微分式：d/dT=Ae-E/RT (1-)n/ 积分式：d/(1-)n= Ae-E/RdT/,Newkirk法 它采用一条TG曲线求得分解反应的速率常数，如右图所示，失重曲线上点1和点2作切线可得到反应速率d1/dt1 和d 2/dt2，以及对应样品剩余质量为(1-1)和(1-2)。如反应是一级反应n1，则可以由 d/dtK(1-)式代入已知值求出各反应速率K1、K2；然后由lnKlnA-E/RT式作K的对数与1/T的图的一条直线，从斜率和截距求得E和A：缺点求切线误差较大，n1计算繁琐,多个升温速率法 也可用几个不同升温速率的TG曲线求解动力学参数，应把微分式变换成： ln(d

15、/dT)lnA(1-)n - E/RT 因为已假设(1-)n只与有关，所以当为常数(不同升温速率TG曲线取相同的失重率)，则(1-)n也为常数，这样，对不同的值，在给定的值下，作ln(d/dT)对1/T作图是一条直线，由斜率求出活化能E 由：lnA(1-)n=lnA+nln(1-) 以上式中截距对1n(1-)作图，就可求出反应级数年n和频率因子A。,Coast-Redfern法 由积分式得： 根据Doyle近似积分关系： 其中：y=-E/RT;用p（y）近似式前三项得：,两边取对数得： n=1时 ： 取对数：,高聚物老化的研究 用TG法估算高聚物化学热老化寿命和评价老化性能 关于热老化寿命的估

16、算已有成熟的公式，即 lnt=a+E/RT 式中：1nt达到指定老化指标(失效)的对数时间；a为常数。一般常规的方法是在几个较高的温度条件下进行实验，分别得到各种条件下的lnt，然后再以lnt对1/T作图即可计算出E(斜率)，并将直线外推到平均室温T20，即可得到室温下的lnt(对数老化时间)和其截距a。 为了接近真实的室温条件在选用温度时必须要一个接近室温但又略高的温度以便加快老化速度、缩短时间。 即使这样常常也要几个月到一年的时间才能获得结果，对及时评价每批次的产品和改进配方十分不便。,因此可以用TG法求出活化能E并用一较高的温度条件下用常规方法测一个lnt作为该温度的a值。这样就可以用点

17、斜法作图，即以a为点，TG法测出的E为斜率画出直线并外推到室温如右图所示。这样仅需几天或十几天时间即可取得数据，必须指出，这种方法有较大的近似性对于简单的老化反应是可行的(lnt与1 /T呈直线关系)。但实际上老化反应常常是复杂的，即在较高的温度下反应机理可能不同于室温，不能以直线外推。可作参考,经验法 式中：Ta为热老化温度指标(作为评价老化的指标)；T0为TG曲线(升温速度定为1min)中开始热失重温度(用切线法交点法求出)；T1/2为失重到一半的温度(T0到T的中点)；X为系数。系数X又可以用常规方法定出某种高聚物的热老化温度指标然后代入上式算出来作为用于该高聚物的常数。为了精确地定出T

18、a，有人建议用失重20%的点和失重50%点的联线延长与基线相交点定作为T0,8.3 DSC、DTA,原理 差热扫描量热仪的基本原理 Differential Scanning Calorimetry， DSC 功率补偿型：内加热，采用动态零位平衡原理，T=0;DSC测定维持样品和参比物处于相同温度所需的能量差 W； W=dQs/dt-dQr/dt=dH/dt dQs/dt:单位时间给样品热量 dQr/dt:单位时间给参比热量 dH/dt:热函变化率,热流型：外加热使均温块受热，然后通过空气和康铜热垫片把热传递给样品和参比杯，式样被温度由镍铬丝和镍铝丝组成的热电偶检测，参比杯温度由镍铬丝和康铜丝

19、组成的热电偶检测，测定的是温差 T，是样品热量的反映 T=RdQs/dt R:与热传导、热辐射、热容有关,差热分析仪原理 Differential Thermal Analysis ，DTA 试样和参比物在相同的程序升温或降温环境中，测量两者的温差随温度或时间变化关系的一种技术，当发生物理或化学变化时， T偏离基线 T=Ts-Tr 谱图横坐标为温度T（或时间t），纵坐标为T。基线突变的温度与聚合物的转变温度或反应时吸热或放热有关,DSC谱图的横坐标为温度T，纵坐标为热量变化率，曲线中出现的热量变化峰或基线突变的温度与聚合物的转变温度相对应，也叫差动分析 DTA、DSC应用须注意的问题 谱图直接

20、反映温度变化中样品的物理（玻璃化变、熔融、结晶、晶型转变、升华、汽化、吸附等)和化学(如分解、降解、聚合、交联、氧化还原等)变化过程，它在DSC曲线上表现为吸热或放热的峰或基线的不连续偏移 样品受热历史对性能影响较大，即聚合物的转变与松弛收加工温度、冷热处理时间与速度、放置的温度与时间影响较大 DSC比DTA易于定量:H=KA ，T=RdQs/dt 升温速度对DSC和DTA有影响 ，通常5-20/min,升温速度快，灵敏度提高，分辩率下降。升温过快，转变温度向高温偏移，相邻峰重迭；升温过慢，测试效率低，影响Tg 样品需在惰性气体（N2、Ar、He）保护下测试，防止氧化，减少挥发物对器皿的腐蚀

21、样品尽量小、均匀，5-15mg T500 ，用铝皿；高温选择金、铂、石墨、氧化铝 仪器须定时、定期进行温度、能量、基线校正、清洗,发生吸热反应： 结晶熔化、蒸发、升华解析、化学吸附、脱附、结晶水、二次相变(如高聚物的玻璃化转变)、气态还原 发生放热反应： 气体吸附、氧化降解、气态氧化(燃烧)、爆炸、再结晶 发生放热或吸热反应： 结晶形态的转变、化学分解、氧化还原反应、固态反应,由高聚物DTA和DSC曲线的图中可以看到固态结构形态一级转变的吸热峰，玻璃化转变引起的基线平移，结晶放热峰、晶体熔融吸热蜂，固化、氧化、化学反应成交联的吸热或放热蜂和分解挥发的吸热峰等。,高聚物的DTA和DSG曲线示意图

22、(固-固一级转变),由上图得出如下结论： 一般的一级转变应该得到非常窄的峰，但高聚物在固态的一级转变是物理结构或分子构型的变化所致，但它的峰比小分子一级转变峰宽很多了 高聚物玻璃化转变(类似二级转变)取决于该高聚物在转变时热容增大的情况，对某些高聚物来说，除非用很灵敏的仪器，一般较难看到。有些高聚物并非出现如图那样理想的台阶，而是出现类似峰形的曲线 聚合或固化等化学反应可能是放热或吸热反应，但氧化、 交联则呈现放热峰，而且峰形很宽。 程序降温曲线与程序升温曲线对于转变现象来说应该是可逆，但事实上降温转变点偏低，这是由于发生过冷现象所致。,DTA DSC在聚合物中的应用,DSC应用 Tm、Tg测

23、定 在玻璃化温度时，高聚物的比热容、热膨胀系数、粘度、折光率、自由体积和弹性模量等都要发生一个突变，测定就是基于高聚物在 转变时比热容增加这一性质进行的。 在谱图上，表现出在温度通过玻璃化转变温度时，基线向吸热方向移动，如图所示。点是开始偏离基线的点，把基线延长，两个基线的垂直距离叫阶差，在处可找到点，从点作切线与前基线延长相交于点，热分析国际联合会（）建议用点作为玻璃化转变温度 ，实际上 也有取 点的，如标准；也有取点的（又叫松驰峰）。用点的好处是该值明显，易读准,Tm测定 第一种是从样品的熔融峰的峰顶作一条直线，其斜率为金属銦熔融峰前沿的斜率 dT/R0dt，其中Ro是试样皿和样品支持器之

24、间的热阻，它是热滞后的主要原因,扫描基线的交点C所对应的温度作为熔点 第二种为通用的确定熔点的方法，是以峰前沿最大斜率点的切线与扫措基线的交点B作为熔点 第三种直接用峰点A点为熔点，但要注意样品量，升温速率的影响,典型的DSC熔融曲线及熔点的确定 (a)高纯铟的熔融曲线 (b)高分子熔融曲线及熔点的测定,聚合物玻璃化转变的研究 玻璃化转变是一种类似于二级转变的转变，它与具有相变结晶或熔融之类的一级转变不同，是二级热力学函数，有dH/dt的不连续变化，因此在热谱图上出现基线的偏移。从分子运动观点来看，玻璃化转变与非晶聚合物或结晶聚合物的非晶部分中分子链段的微布朗运动有关，在玻璃化温度以下，运动基

25、本冻结，到达了Tg后，运动活跃，热容量变大，基线向吸热一侧偏移。下面介绍影响Tg的若干因素,下图是在氮气保护下测定的未拉伸PET纤维的DTA曲线，77、136 ，261 及447 分别为它的玻璃化转变温度Tg、低温结晶化温度(冷结晶温度)；熔融温度Tm及分解温度Td,没拉伸聚对苯二甲酸乙二醇酯 纤维的DTA曲线(在氮气中),升温速度对DSC曲线测定Tg的影响,化学结构对Tg的影响 具有僵硬的主链或带有大的侧基的聚合物将具有较高的Tg；链间具有强吸引力的高分子不宜膨胀，Tg高，在分子链上挂有松散的侧基，使高分子结构变得松散，增加了自由体积，而使Tg降低 侧基对Tg影响,聚甲基丙烯酸酯类聚合物由于

26、含有柔性侧基，分子间距离大，相互作用减弱，产生“内增塑”作用，Tg下降,分子量对Tg影响 随相对分子质量增加，一般Tg升高，当相对分子质量超过一定程度时，分子质量的增加Tg不显增加。因为分子链两头各有一端基链段，它的活动能力比其它链段大，它将贡献一定的自由体积，相对分子质量越低，端基链段比例越大，Tg越低，随相对分子质量增大，端基链段减少，所以Tg逐渐增大,聚甲基丙烯酸对叔丁基酯(BPh)和聚甲基丙烯酸对丁基环己酯(BCy)的玻璃化转变温度Tg与平均 分子量Mw的关系(升温速率16Min),结晶度对Tg的影响 不同聚合物随结晶度的提高对Tg有不同的影响 如：聚对苯二甲酸乙二醇酯、等规聚苯乙烯、

27、聚己内酰胺、等规甲基丙烯酸甲酯等，结晶度的提高，认为是填料增多，增加无定形分子链运动的阻力，从而使Tg升高 聚4甲基戊烯-1的Tg随结晶度的增加而降低。因提高结晶度使“低Tg”的等规部分增加，而“高Tg”间规部分减少，从而使Tg降低。 等规聚丙烯、聚三氟氯乙烯等结晶度对Tg的影响可以忽赂,交联固化对Tg的影响 聚合物交联一般引起Tg的升高。如下图是一种环氧酐体系经不同预固化温度固化后测得的DSC升温曲线，由于固化温度不同，交联程度不同；在400K以下固化的试样，随固化温度升高交联度增加，使Tg升高。在更高的温度予以固化，Tg反而降低，推测是由于高温裂解，使交联密度降低,在不同温度完成预固化的环

28、氧酸酐试样 8/min升温DSC曲线,样品历史效应对影响 热历史 制备样品时，如果冷却速率较小，加热速率大于冷却速率，会出现吸热的“滞后峰”，反之则出现放热峰，只有冷却速率与测定加热速率相同时，有标准的转变曲线如图A,图A 聚苯乙烯DSC曲线中的玻璃化转变区 升温速率为0.09，制样的冷却速率(/S)分别为a 1. 4104 ;b 3.210-3;c l .81102;d 413X102;e 8710-2; f 5,图B 在玻璃化转变区比热容与温度的关系 1快冷却，快加热；2- 快冷却，慢加热 3一慢冷却，慢加热；4- 慢冷却，快加热,热历史对Tg的影响，可以用比热容温度曲线来说明(图B)。多

29、方研究受热历史影响的Tg变化范围为1030。当加热速率与冷却速率相近时(图中曲线1和3)，不出现明显的热效应；当加热与冷却速率不同时(图中曲线2和4)，出现放热或吸热峰，热历史被记录下来,应力历史 储存在样品中的应力历史，在玻璃化转变区会以放热式膨胀的形式释放。如下图所示，制样压力越大，释放的放热峰越大。零压力的滞后吸收峰是由于慢冷却的热历史造成的。随压力增加，Tg起始转变温度降低，但结束温度却没有变化，从而转变区加宽。,聚苯乙烯的DTA曲线5/min;制样冷却速率0.08/min，制样压力于图上,形态历史 当样品的表面积与体积之比很大时，样品的形态变得很重要。如下图所示是三种不同尺寸的粉末状

30、聚苯乙烯样品，尺寸越小的样品Tg开始的温度大为降低，而结束温度基本不变，使转变区变宽。这与样品导热快慢有关，因此测定粉未样品时，要注意形态的效应,三种尺寸粉末状聚苯乙烯热容-温度曲线 (尺寸示于图上) -第一次扫描；第二次扫描,退火历史 当样品从熔融态迅速降至低于Tg转变温度下退火，不同温度或相同温度不同退火时间将会有不同的热效应。如图A和图B所示，聚氯乙烯随退火温度的升高，Tg起始温度逐渐提高。,聚氯乙烯薄膜(Mn=63xl04)DSC曲线 随热处理的变化 末处理试祥是指在DSC试样容器中于130保持5min后快速冷至室温的试样；热处理是在图中所示的温度下进行4h；升温速度8/min,图B

31、在60经不同时间处理的单分散聚苯乙烯 (Mn1.03x104)的DSC曲线 升温速度：16/min A未处理；B2h ；C3h； D4h；E17h；F29h,聚苯乙烯在相同温度下，经不同退火时间处理，Tg随退火时间增加面移向高温。,聚合物熔融/结晶转变的研究 大多数结晶聚合物，在DSC实验中测得的熔融温度都有一较宽的范围，但它仍是热力学平衡熔融行为，只不过由于聚合物体系通常处于非平衡态，所以测得的熔点远低于其热力学平衡熔点。 聚合物平衡熔点(T0m)定义为：与聚合物熔体平衡的一组晶体的熔点。在平衡熔点下熔融的晶体是该聚合物最完善的结晶，具有最小的自由能。,结晶条件对熔点的影响 结晶聚合物的熔点

32、与结晶形成的温度有关，结晶温度越高，形成的结晶越完善，熔点就越高。霍夫曼(Hoffman)建议将测试观察到的样品的Tm和结晶温度Tc作图，并外推到与直线TmTc相交的点，作为样品平衡熔点图右所示，尼龙6、聚三氟氯乙烯、等规聚丙烯的分别T0m为230、220、182。,TC-Tm图 a：尼龙6；b：聚三氟氯乙烯； c：等规聚丙烯,结晶形态对熔点的影响 由图知伸直链结晶的熔点最高，球晶其次，单晶熔点最低，不同形态的聚乙烯结晶熔点可相差多达25。 有一种测定T0m的方法，是在高压下结晶制备伸直链的晶体样品，该晶体非常接近热力学平衡条件，在缓慢加热条件下，能得到与平衡熔点非常接近的熔点值,不同结晶形态

33、的聚乙烯的熔融峰温与升温速率的关系 a：伸直链结晶；b：从熔体缓慢冷却的球晶；c：从熔体快速结晶的球晶；d:从溶液生长的单晶,晶片厚度对熔点的影响 晶片越厚，熔点越高。晶片厚度一般用x光衍射获得 熔点与厚度的关系式： Tm=T0m1-(2e /lHf) e:比表面积自由能，kJ/mol l:晶片厚度,nm Hf:熔融热，kJ/mol 测定不同厚度样品的熔点，外推到晶片无限厚(即 1l0)即得到T0m,聚合物多重熔融行为 许多聚合物熔融时会出现多重熔融峰，如聚乙烯经过等温结晶或退火后淬火冷却，再升温熔触时有两个熔融峰，出现多重熔融现象的原因是多种多样的 下图为不同晶型的全同聚丙烯的DSC.第一个

34、峰被认为是晶型的结晶熔融峰， 多晶型结晶熔融后再结晶给出第二个峰，剩下两个峰是对应于晶型 原因：是由非均相核和均相核两种不同方式成核结晶引起；不同形态和不同完善程度的结晶引起,6%-10%奎丫啶成核剂结晶的聚丙烯的DSC曲线 升温速度5/min,历史效应对熔点的影响 熔融并不是结晶的逆过程，结晶包括成核和生长两步，这两步都需要适当的过冷，因此部可能产生历史效应 热历史 ：结晶高分子的最初历史是与成核和结晶动力学有关。常规是冷却速度越快，结晶越小越不完善，其熔点越低。实际上聚合物结晶总是处于各种亚稳态。高分子材料的生产或加工过程中常经过各种热处理，相当于退火，小分子结晶很易退火到平衡完善化而消除

35、热历史，但高分子结晶很少能退火到这个程度，这意味着退火是在原先热历史(可能还有应力历史，形态历史和结构历史)上叠加退火历史。实际的DSC曲线相当复杂,尼龙6在不同温度下结晶16h，从DSC图上可看到不同热历史，最多能观察到五个峰，其结晶温度Tc与熔点Tm的关系如A图所示。曲线3和4是原样品中存在的，和两种晶型结晶的正常熔融；曲线1和2是原样品中没有， 和晶型晶体重组后产生的结晶熔融，曲线5是个小的退火峰，它总是出现在比结晶温度高约4的地方，表明结晶后从结晶温度冷却至室温，已经“二次结晶”，在原结晶问产生了小晶粒的熔融,图 A 尼龙6的熔融峰温与结晶温度的关系 晶型由x射线衍射测定 DSC升温速

36、率为8/min,图B 经退火处理的聚乙烯的DSC曲线 退火温度示于图上 a：退火后； b：退火前,同一聚乙烯样品依次在不同温度下退火，每隔10退火1h，结果升温时出现一系列小退火熔融峰，每一退火峰熔融温度均比退火温度高10左右，如图B,应力历史 结晶聚合物材料经过取向，其熔点升高 有人认为，这是由于在无定形相中分子取向的亚稳定性。样品自由收缩和固定长度，有不同熔融行为，说明不是平衡态,聚乙烯的熔融曲线 A：未拉伸；b：拉伸13倍，测试时自由收缩；c：拉伸13倍，测定时固定长度，升温2/min,有人证实DSC测得的Tm和Hf是随拉伸比的增加而增加,拉伸聚乙烯试祥熔点TM与拉伸比的关系 (- -)

37、64/min (-)32 /min (-o-o-)16 /min (-)8/min,拉伸聚乙烯试样的熔化热H与拉伸比的关系 (- -)64/min (-)32 /min (-o-o-)16 /min (-)8/min,结晶度和结晶动力学 测量DSC峰面积，可以定量计算转变热或反应热 结晶度的测定 根据两相模型的假定，聚合物熔融时，只有其中的结晶部分发生变化，所以熔融热实质上是破坏结晶结构所需的热量。结晶度越高，熔融热也越大，即聚合物的熔融热与其结晶度成正比。利用该原理计算聚合物结晶度Xc的公式如下： Xc= Hf/H0f Hf:样品测定的熔融热，kJ/mol H0f :100%结晶样品的熔融热

38、，kJ/mol,等温结晶动力学 将聚合物在DSC炉中熔融，然后尽快降温至预定温度进行等温结晶，DSC曲线将出现结晶放热峰，图A是聚对苯二甲酸乙二醇酯在不同温度下的等温结晶曲线,聚对苯二甲酸乙二醇 酯的等温结晶曲线,结晶放热峰的动力学处理 如右图所示，总面积A对应于结晶的总热效应，阴影面积a为0t时刻形成结晶所释放的结晶热，因而t时刻结晶度Xt表达为： 阿夫拉米方程：1-Xt=exp(-Ktn) K：结晶速率常数；n：指数 则：lg-ln(1-Xt)=lgK+nlgt 以lg-ln(1-Xt)对lgt作图，以截距可得结晶速率常数K；从斜率可得阿夫拉米指数n(与成核和生长机理有关的参数),非等温结

39、晶动力学 非等温结晶动力学有重要的实用价值， 等温结晶动力学有一定的局限性，如测定的温度范围很窄，曲线形状不完整；高分子材料在实际加工中是非等温结晶，以及一些材料在某些温度下结晶热太小等存在的问题：把均相反应理论应用到异相反应：非等温过程存在温度梯度和扩散障碍等，热分析动力学数据缺乏理论支持 Jeziorny方法： 根据降温速率dTdt，将非等温结晶曲线中时间变化换成温度的变化，然后再用等温结晶同样的方法处理，改进等温结晶动力学Avrami方程方程，适用于测定非等温结晶速率常数Kt和Avrami指数n：1-Xt=exp(-Kttn) 因非等温结晶的特性，结晶速率常数要用降温速率校正得到Kc来表

40、征非等量结晶速率 lgKc=lgKt/dT/dt 两种方法的n值有区别，n代表温度区间的平均值，可用半峰宽D表征结晶速率，D越小，结晶速率越快,聚合物冷结晶现象的研究 在远低于Tm温度发生结晶现象称冷结晶 以PET为例，PET的DSC曲线在140附近有放热的冷结晶峰出现。随着加工条件的改变，冷结晶峰的变化可以证实PET结构发生相应的变化。下图为不同纺速下得到的PET缠绕丝的DSC曲线。从图中可知，随纺速增加，冷结晶峰向低温方向移动，当纺速超过5000mmin时，冷结晶峰消失 原因：随纺速增加，PET丝的拉伸取向增加，有利于结晶，高速时，绕丝本身已成结晶纤维，使冷结晶峰消失,不同纺速PET绕丝的

41、DSC曲线 纺速(MMi) 1-1000； 2-3000；3-3000；4-4000； 5-5000；6-6000；7-7000,共混物和共聚物成分检测,聚合物的热转变温度与其组成和结构密切相关，利用材料的玻璃化转变能初步判定结构和组成比 共混聚合物或无规共聚物 对无相容性的共混物，DSC曲线显示共混高分子各自的Tg;若曲线上显示的与共混组分有不同的Tg，表明不同共混组分之间有较好的相容性； 无规共聚物和均聚物有一个Tg转变 嵌段、接枝、互穿网络聚合物有两个Tg,如发生有效的分子混合，则转变区加宽，Tg将靠近 嵌段共聚物：发生相分离，忽略个组成相互作用，可观察到各自成分的Tg,乳液聚合的丁腈橡

42、胶(NBR)的DSC分析 Tg转变随丙烯腈含量而变，在20一30范围时能观察到两个Tg，其他含量只观测到一个Tg; 20和293丙烯腈NBR典型DTA曲线，能观测到-52和-29以-69 和-33 各两个Tg转变温度；但是图上的Tg转变点并不与单独丁二烯和丙烯腈均聚的Tg相对应，说明共聚物不是完全嵌段的,丁腈橡胶的DTA曲线 A -29.3%；B-20.0%,苯乙烯-丁二烯嵌段共聚物的DSC曲线 苯乙烯摩尔含量A-100%；B-55%；C-19%；D-0%,图所示是聚乙烯（）、聚丙烯（）及共混物的曲线图,利用这些共混物的熔融峰面积，可以求得共混聚合物的组成,图A，及共混物的曲线 A，d,图所示

43、是尼龙和尼龙共混物的曲线，其中尼龙和尼龙的比例分别为，利用这些共混物的熔融峰面积，可以求得共混聚合物的组成,图 尼龙尼龙共混物的曲线 ,高密度、中密度和低密度聚乙烯样品的DSC曲线(结晶温度段),利用DSC鉴别PE 低密度聚乙烯的T0为93，Tm为106，结晶度c为32%，中密度的T0 为108 ，Tm为115， c为44%；高密度PE的T0 为117， Tm为132 ， c 为76%,比热容的测定 测量的是试样吸热或放热速率 直接法：DSC曲线的纵坐标为t（）,该热流率除以升温速率dT/dt即是热容Cp 则：Cp=dH/dtdT/dt=dH/dT 该式中，Cp：等压热容 比热容为C；C=Cp/m=dH/dT/m 为样品质量（）；,比例法 具体作法是：在仪器上先用个空样品皿以一定升温速率作一条基线，再在同样条件下放入标准物蓝宝石样品作一条曲线，然后再在同样条件下作未知试样的曲线，如图所示 样品热焓 dH/dt=y=cmdT/dt 1 蓝宝石热焓 dH/dt=y=cmdT/dt 2 1除2式得：c/c=ym/ym c样品比热容； c蓝宝石的比热容； m样品质量； m为蓝宝石的质量； y样品在纵坐标上的偏离 y蓝宝石在纵坐标上的偏离,聚合物的氧化、分解、交联在热谱图上均有很明显反映，氧化、交联反应会出现放热