為了能得到jing確的數(shù)據(jù)，即使對于那些jing確度相當高的DSC儀，也必須經(jīng)常進行溫度和量熱的校核。接下來我們主要了解一下溫度校正的方法

與DTA一樣，DSC的溫度也是用高純銦物愛的熔點或相變溫度進行校核的。關于溫度校核標準數(shù)據(jù)可參見表4.1-5。在實際測量中要獲得jing確度高的溫度值，還必須采取下列措施：

①確定熔點的方法。DSC的溫度通常是以高純進行校核的，其熔點應為吸熱峰的前沿切線與基線的相交點T”，如圖4.1-13所示。其切線斜率為1/R₀ x dT_P/dt（a為試樣盤和盤座之間的熱阻，dTp/dt為程序升溫速率）。因此，可根據(jù)鋼的前沿切線斜率來確定待測試樣的熔點，例如三苯甲烷的熔點為B點，見圖4.1-14，OB線的斜率與銦的相同。

②試樣盤和盤座要求接觸良好，因為R0對溫度測量的jing確度和重復性密切相關。如果試樣盤和盤座不干凈或者試樣盤盤底不平整都會導致測定結果不重復。

③試樣盤在盤座上的位置應標準化。

④應用N₂作為凈化氣體，而不能用He氣。

⑤試樣用量要少并且恒定。

⑥在測定有機物時，應采用有機標準物進行校核，因為金屬校準物具有較大的熱導性。

⑦試樣的幾何形狀必須標準化。

差示掃描量熱儀測定玻璃化溫度的討論
      非晶態(tài)高聚物從玻璃態(tài)到橡膠態(tài)，有一個轉變——玻璃化轉變。這個轉變一般其溫度區(qū)間不超過幾度。但在轉變前后，模量的減少達三個數(shù)量級。在實用上是從硬而脆的固體變成韌性的橡膠。所以，玻璃化轉變是高聚物一個重要的特性。
      形成玻璃態(tài)的主要原因，可能是高聚物分子結構不對稱，不能形成結晶；也可能是沒有足夠的能量去重排結晶。而且多數(shù)高聚物也只有在特定的條件下方能結晶。同時高聚物很難形成的結晶，總有部分非晶態(tài)存在，因此玻璃化轉變是高聚物普遍現(xiàn)象，只不過非晶態(tài)少的高聚物玻璃化轉變不明顯。
一，玻璃化轉變溫度的測定
      高聚物在玻璃化轉變時，除了力學性質有很大變化，其他性質如體積，熱力學性質，    磁性質等，都有很大變化。在理論上后面的變化更為重要。下面就簡要介紹：
1，體積的變化
      用膨脹計測定玻璃化溫度是Z常用的方法。一般是測定高聚物的比體積對溫度的關系．把曲線兩端的直線部分外推至交點作為Tg(如圖1)
                                                                                                                                                                                                                                    
      從圖可以看出，玻璃化轉變同冷卻速率有關：冷卻的快。得出的Tg高；冷卻的慢，Tg就較低。同樣，加熱速率或快或慢，Tg也或高或低。產(chǎn)生這種現(xiàn)象的原因是體系沒有達到平衡。但要達到平衡，需要很長的時間(無限長)，這在實驗上做不到。通常采用的標準是每分鐘3℃。
      測量時．常把試樣在封閉體系中加熱或冷卻，體積的變化通過填充液體的液面升降而讀出、這種液體不能和高聚物發(fā)生反應或溶解、溶脹，Z常用的是水銀、也有人用空氣作測量的流體，達時可測定壓力的變化。
      其它與體積有關的性質也可用于測定，加試樣的折射系數(shù)、X射線的吸收等。
2，熱力學方法
      量熱方法也是測定玻璃化溫度的常用方法。在Tg時，熱焓有明顯變化，熱容有—個突變。自從有了差熱分析(DTA)和差示掃描量熱計后，量熱方法變得更為重要。
      象體積變化一樣，熱焓和熱容的變化也和速率有關：圖2表示比體積（V）和焓(H)對溫度的關系，圖3表示體膨脹系數(shù)和熱容對溫度的關系，都出現(xiàn)行“滯后”現(xiàn)象。圖中曲線1是緩慢冷卻，曲線2是正常冷卻和升溫，曲線3是快速冷卻；曲線1、3是正常升溫。
3，核磁共振法(NMR)
      利用電磁性質的變化研究高聚物玻璃化轉變的方法是核磁共振法(NMR)。
      在分子運動開始前，分子中的質子處于各種不同的狀態(tài)，因而反映質子狀態(tài)的NMR譜線很寬。當濕度升高，分子運動加速后，質子的環(huán)境被平均化，共振譜線變窄，到了Tg時譜線的寬度有了很大改變。圖5給出了聚氯乙烯的NNR線寬(ΔH)的變化。由圖5可得Tg為82℃。
 

圖2 非晶高聚物焓和溫度的關系                    圖3 非晶高聚物熱容和溫度的關系
         除上述方法外，這里再列舉幾種測定玻璃化轉變的方法，如圖6、7、8所示。圖6為甲基丙烯酸丙酯的折光率—溫度曲線。由圖6可見，T> Tg, dn/dT增加，即鏈段開始運動后光線在聚合物中的傳播速度增加；圖7為天然橡膠導熱系數(shù)——溫度曲線?？梢钥闯觯琓>Tg時，鏈段的無規(guī)熱運動阻礙了熱能的定向傳導，使λ值急劇減?。粓D8為聚酯酸乙烯酯的膨脹率——溫度曲線。說明了T>Tg時，由于鏈段運動，“自由空間”增加，則dv/dT值急劇增大。
 
4，其他方法
      上面的這些測量方法多以玻璃化過程中發(fā)生的物理現(xiàn)象為基礎。以不同物理量為準則的測量方法,所得玻璃化溫度各不相同,而且試驗測量也相當費力和耗時,而從自由體積理論、熱力學理論和動力學理論來計算玻璃化溫度尚存在許多問題 。因此,有人另辟蹊徑對聚合物的玻璃化溫度作合理的推測。下面以硬脂酸乙烯酯+ 乙酸乙烯酯+ 氯乙烯體系形成的三元聚合物為例,采用神經(jīng)網(wǎng)絡法,建立了進料組成中各組分的摩爾分數(shù)、鏈節(jié)重量分數(shù)和聚合度等與玻璃化溫度的定量映射關系,進而對未知條件下的三元聚合物玻璃化溫度作出了預測。
      神經(jīng)網(wǎng)絡作為一種并行仿生信息處理系統(tǒng),由若干層神經(jīng)元組成,各層神經(jīng)元之間通過聯(lián)接權進行信息傳遞與交換。本文采用具有三層結構的逆?zhèn)鞑ド窠?jīng)網(wǎng)絡模型,網(wǎng)絡拓撲結
構如圖1 所示。各層神經(jīng)元之間的信息通過SIGMOID 函數(shù)進行傳遞,以SDEC 為迭代收斂判據(jù),以SDEP 表達網(wǎng)絡的預測能力[3 ] 。二者定義如下:

      式中SQRT 表示取平方根,i 和j 分別為訓練集和測試集中的樣本序號,加和分別遍及訓練集和測試集所有樣本點,yexp 、ycal和ypred分別為實驗值、標定值和預測值。網(wǎng)絡的權值調整按如下方式進行wij = w ij +αδi x j +ηΔw ij
      其中w ij為上一層中神經(jīng)元i 到下一層神經(jīng)元j 的聯(lián)接權, x j為相應神經(jīng)元的輸出值,δ為對應神經(jīng)元的誤差項,ΔWij為上次迭代權值與前次迭代權值之差,a和η分別稱為學習效率和沖量因子。有關神經(jīng)網(wǎng)絡逆?zhèn)鞑ニ惴ǖ脑敿殐热輩⒁娢墨I[4 ,5 ] 。 玻璃化溫度標志著聚合物物理性質的巨大變化。在Tg 以上,玻璃態(tài)聚合物將變得柔順而趨向于流動。要對Tg 做出預測,首先要了解影響Tg 的因素。在相同的試驗條件下,影響聚合物Tg 的主要因素是聚合物的結構特性。包括鏈的柔性、支化情況、鏈規(guī)整性和聚合物的分子量。對于聚合物來說,不同成分的鏈節(jié)比例及各組成鏈節(jié)的重量分數(shù)都將影響Tg 值。鏈的柔性取決于組成主鏈的化學結構的本性,化學鏈易旋轉的柔性鏈趨向于有低的Tg,若某種集團的引入阻礙鏈的旋轉而使其僵硬,則會使Tg 升高,側鏈的生成將阻礙鏈的旋轉,從而提高Tg 值,側鏈越大,這種效應越明顯。另一方面,側鏈的增大,降低了聚合物鏈間作用力,弱化了分子間力對Tg 的影響,側鏈效應具有雙重作用。從聚合物的鏈節(jié)成分比例看,各組成成分的差異,影響了鏈的規(guī)整性,規(guī)整性好,利于分子的斂集,限制了分子的內旋轉,使玻璃化溫度Tg 升高。從分子量效應看,隨聚合物分子量的增加,端基分率減小,自由體積減小,鏈的自由度也減小,Tg 值則升高。

      綜合上述分析,在處理硬脂酸乙烯酯+ 乙酸乙烯酯+ 氯乙烯三元共聚體系時,我們選擇了合成聚合物時 進料組成中三個成分的摩爾分數(shù)(X1 ,X2 ,X3) ,以此表達聚合物組成鏈節(jié)比例的數(shù)量效應,考慮到各單體重量上的差異,我們選擇了聚合物中硬脂酸乙烯酯的重量分數(shù)和乙酸乙烯酯的重量分數(shù)來表示鏈節(jié)組成上的重量效應(W1 ,W2) 鏈的柔性、規(guī)整性及支化情況均與此組成效應相關,比如當硬脂酸乙烯酯的重量分數(shù)超過約0. 4 時,聚合物鏈出現(xiàn)支化。對于分子量效應,我們選擇了聚合度(N) 來表達。這樣我們得到6 個影響Tg 的因素,由此構成6 維空間R6 (X1 ,X2 ,X3 ,W1 ,W2 ,N) ,而聚合物的Tg 將構成一維空間R1 ( Tg) ,為建立兩個空間的聯(lián)系,我們選擇神經(jīng)網(wǎng)絡,采用631 網(wǎng)絡拓撲結構,即輸入層設置6 個節(jié)點,分別對應于6 個影響因素,輸出層設置1 個節(jié)點,對應于Tg 的響應值,隱含層設置3 個節(jié)點,以適應由6 維空間到1 維空間映射的復雜性要求。訓練過程的學習效率取為0. 35 ,沖量因子取為0. 85 。從文獻中收集到的數(shù)據(jù)如表1 所示,取其中前36 組數(shù)據(jù)作為訓練集,其余12 組數(shù)據(jù)為測試集。以訓練集數(shù)據(jù)訓練神經(jīng)網(wǎng)絡,構造由6 維空間到1 維空間的映射關系,當SDEC 達到4. 6915 時,網(wǎng)絡迭代8800 次,此時停止訓練并轉入對測試集的預測,以檢驗訓練模型的預測能力,得到的SDEP 值為3. 2253 。神經(jīng)網(wǎng)絡訓練過程中誤差演化曲線如圖9 所示,實驗值和預測值之間關系如圖10 所示。從圖9 可以看出,訓練過程是收斂的,說明學習效率和沖量因子的選擇是合理的。從圖10 可以看出,實驗值和預測值是比較接近的,說明由神經(jīng)網(wǎng)絡得到的模型是可靠的,實現(xiàn)的由6 維空間到1維空間的映射關系是正確的。

圖9  神經(jīng)網(wǎng)絡訓練過程中的誤差演化曲線       圖10  Tg計算值，實驗值，預測值之間的關系
二，玻璃化轉變的理論
      玻璃化轉變有很多理論，但不外乎從熱力學的角度去計算理想玻璃態(tài)的熵，或是從玻璃化轉變的松弛現(xiàn)象去考慮動力學過程。
1，自由體積理論
      自由體積理論認為高聚物的體積是有兩部分組成的，一部分是大分子本身的占有體積，另一部分是分子間的空隙，后者即為自由體積。在溫度比較高時，自由體積較大，能夠發(fā)生鏈段的短程擴散運動，而不斷地進行構象重排。溫度降低，自由體積減小，降至Tg以下時，自由體積減小到一臨界值一下，此時鏈段的短程擴散運動已不能發(fā)生，高聚物表現(xiàn)為固體的性質，這是就發(fā)生了玻璃化轉變。
      WLF方程預示了玻璃化轉變的等自由體積狀態(tài)。根據(jù)WLF方程
                      (1)
      根據(jù)Doolittle經(jīng)驗式，并假定在Tg時，自由體積分數(shù)為fg ；在Tg以上時，自由體積分數(shù)隨溫度線性變化。
                        (2)
由此可推導出WLF方程式的類似形式
             (3)
于是，C1=B/2.303fg, C2=。B是Doolittle方程中的常數(shù)，近似等于1。
從許多實驗事實，發(fā)現(xiàn)在大部分非晶態(tài)高聚物中，
C1=17.44   C2=51.6                     (4)
由此，。這就是說，玻璃化轉變時高聚物的自由體積都等于
體積的2.5%。
      上述結論可以用圖12加以具體說明。Fox和Flory認為：在Tg時，玻璃態(tài)的比體積是Vg。其中部分是大分子的占由體積Vo’。Vo是零度時的占有體積，隨溫度上升，分子熱運動振幅增大，引起占有體積膨脹，替膨脹系數(shù)是βg。Vg中的另一部分是自由體積Vf，在Tg以下，分子運動凍結，Vf被凍結在高聚物中不再變化。于是，T=Tg時，比體積是
                 (5)
而T>Tg時，比體積是
                     (6)
式中βr是Tg以上的替膨脹系數(shù)，這時，除了占有體積的正常膨脹外，自由有體積也在膨脹，
 
      從圖12可以知道，自幼體積膨脹系數(shù)就是Δβ，Δβ=βr-βg=βf。當溫度降到Tg時，自由體積的分數(shù)達到臨界值，等于2.5%。這時，高聚物進入玻璃態(tài)。
      自由體積理論是一個玻璃化轉變處于一個等自由體機狀態(tài)的理論，談隨著冷卻速率不同，高聚物的Tg并不一樣，因此Tg時的自由體機并不相同，同時，自由體積理論認為Tg以下自由體積不變，實際是會變得。Kovacs曾對高聚物的體積松弛做過大量的研究工作，他把淬火后的高聚物恒溫放置，發(fā)現(xiàn)高聚物的體積隨著放置時間的變長而不斷變小，這表明自由體積在不斷減小，但減小的速率越來越慢。高聚物中自由體的多少和其物性關系很大。
2，熱力學理論
      按照Ehrenfedst對平衡熱力學的定義，轉變可以分成一級轉變和二級轉變。如轉變前后的兩種物態(tài)分別用下標1、2表示，則在轉變點兩種物態(tài)的Gibbs自由能應相等，即
F1=F2                               (7)
      但在轉變點對一級相變來說，自由能對溫度T、壓力P的一階導數(shù)在轉變時是不連續(xù)的；而對二級轉變來說，二階導數(shù)是不連續(xù)的；
一級轉變
                                                     (8)
二級轉變
             (9)
根據(jù)熱力學的關系，可以明確自由能F對T,P的一階導數(shù)和二階導數(shù)的物理意義。因為
                (10)
其中S熵，V是體積，Cp是熱容，β是體膨脹系數(shù)，κ是壓縮系數(shù)。
因此，一級相變，在轉折點，兩種物態(tài)的熵和體積不相等。
                                 (11)
二級轉變，在轉變點，兩種物態(tài)的Cp，β，κ不相等
                          (12)
      在玻璃化轉變時，高聚物的Cp，β，κ恰恰都有不連續(xù)性，所以通常把玻璃化轉變看作是二級相變，其實并沒達到熱力學平衡，因而不是真正的二級相變。
Gibbs和Dimarzio的理論，是玻璃化轉變的熱力學理論Z嚴密的代表，它通過對構象熵隨溫度的變化進行了復雜的數(shù)學處理，證明通過T2(高聚物熵為零真正二級轉變時的溫度)時，F(xiàn)和S是連續(xù)變化的，內能和體積也是連續(xù)變化的，但Cp和α不連續(xù)變化，從而從理論上預言，在T2時存在真正的熱力學二級相變。
      G—D理論認為，盡管事實上無法達到T2,因而無法用實驗證明其存在。但是，在正常動力學條件下觀察到的實驗的玻璃化轉變行為和T2處的二級轉變非常相似，T2和Tg是彼此相關的，影響它們的因素應該相互平行，因此，理論得到了關于T2的結果，應當也適用于Tg。在這樣的框架內，得到了一系列結果，很好的說明了玻璃化轉變行為與交聯(lián)密度，增塑，共聚和分子量的關系，也解釋了壓力對T2,Tg的影響。
      G—D理論認為T2時存在真正的二級熱力學轉變，因此壓力對Tg的影響可以直接從平衡熱力學關系式求出。對于—級相轉變，轉變溫度的壓力依賴性由clapeyron方程確定
                                                    (13)
此式不能直接應用于二級轉變，因為此時ΔV和ΔS都為零，dT/dP不確定。但是，我們可以援引L’Hopital法則，將式(13)右邊的分子和分母分別求導，以求得極限值。將式
(13)右邊的分子和分母分別對T求導，并根據(jù)式(12)可得
                (14)
如果對壓力求導,則結果為
                   (15)
所以壓力對T2的影響，當然也就是對的影響，可以用式(14)和(15)表示。式
(15)和自由體積理論的結果式相同，并與實驗結果基本相符，說明G—D理論是成功的。
    G—D理論預言的熱力學二級轉變溫度T2，可以由WLF方程求出。當取Tg作為參考溫度時
              (16)
式中。稱為移動因子，是溫度為時的松弛時間，C1和C2兩個經(jīng)驗常數(shù)此時可取近似普適值．分別等于17.44和51.6。根據(jù)前面的分析，到T= T2時，構象重排需要無限長的時間，即；或者說，為將一個有著無限時間標尺的實驗數(shù)據(jù)，移動到有限的時間標尺，必須取。顯然，滿足上述條件，方程式(16)右邊的分子維持有限值時，分母必須變?yōu)榱?，?/span>
C2+T2－=0                              (17)
因而
T2= －C2≈－52                       (18)
2，動力學理論
      玻璃化轉變現(xiàn)象有著明顯的動力學性質，Tg與實驗時間標尺有關，因此有人認為玻璃化轉變是由動力學方面的因素引起的。
      Z初的動力學理論認為，當高聚物收縮時，體積收縮有兩部分組成：一是連鍛的運動降低，另一部分是連鍛的構象重排成能量較低狀態(tài)，后者又一個松弛時間。在降溫過程中，當構想重排的松弛時間適應不了降溫速度，這種運動就被凍結出現(xiàn)玻璃化轉變。
      動力學理論的另一類型式位壘理論，這些理論認為大分子構想重排時涉及到主鏈上單鍵的旋轉，鍵在旋轉時存在位壘，當溫度在Tg以上時，分子運動有足夠的能量去克服位壘，達到平衡。但當溫度降低時，分子熱運動的能量不足以克服位壘，于是便發(fā)生了分子運動的凍結。
三，影響玻璃化溫度的因素
      由于玻璃化轉變是與分子運動有關的現(xiàn)象，而分子運動又和分子結構有著密切關系，所以分子鏈的柔順性、分子間作用力以及共聚、共混、增塑等都是影響高聚物Tg的重要內因。此外，外界條件如作用力、作用力速率,升(陣)溫速度等也是值得注意的影響因索。
1．化學結構
(1) 鏈的柔順性
      分子鏈的柔順性是決定高聚物Tg的Z重要的因素。主鏈柔順性越好，玻璃化溫度越低。
      主鏈由飽和單鍵構成的高聚物，因為分子鏈可以固定單鍵進行內旋轉，所以Tg都不高，特別是沒有極性側基取代時，其Tg更低。不同的單鍵中，內旋轉位壘較小的，Tg較低。例如，

      主鏈中含有孤立雙鍵的高聚物，雖然雙鍵本身不能內旋轉，但雙鍵旁的α單鍵更易旋轉，所以Tg都比較低。例如，丁二烯類橡膠都有較低的玻璃化溫度。

(2)取代基
      旁側基團的極性，對分子鏈的內旋轉和分子間的相互作用都會產(chǎn)生很大的影響。側基的極性越強，Tg越高。一些烯烴類聚合物的Tg與取代基極性的關系如表2所示。
表2  烯烴高聚物取代基的極性和Tg的關系

      此外，增加分子鏈上極性基團的數(shù)量，也能提高高聚物的Tg.但當極性基團的數(shù)量超過一定值后，由于它們之間的靜電斥力超過吸引力，反而導致分子鏈間距離增大，Tg下降。取代基的位阻增加，分子鏈內旋轉受阻礙程度增加，Tg升高。
      應當強調指出，側基的存在并不總是使Tg增大的。取代基在主鏈上的對稱性對Tg也有很大影響，聚偏二氯乙烯中極性取代基對稱雙取代，偶極抵銷一部分，整個分子極性矩減小，內旋轉位壘降低，柔性增加，其Tg比聚氯乙烯為低；而聚異丁烯的每個鏈節(jié)上， 有兩個對稱的側甲基，使主鏈間距離增大，鏈間作用力減弱，內旋轉位壘降低，柔性增加，其Tg比聚丙烯為低。又如，當高聚物中存在柔性側基時，隨著側基的增大，在一定范圍內，由于柔性側基使分子間距離加大，相互作用減弱，即產(chǎn)生“內增塑”作用，所以，Tg反而下降。
(3)幾何異構
      單取代烯類高聚物如聚丙烯酸酯、聚苯乙烯等的玻璃化溫度幾乎與它們的立構無關，而雙取代烯類高聚物的玻璃化溫度都與立構類型有關。一般，全同立構的Tg較低，間同立構的Tg較高。在順反異構中，往往反式分子鏈較硬，Tg較大。
(4)離子鍵的引入
      分子鏈間有離子鍵可以顯著提高Tg。例如，聚丙烯酸中加入金屬離子，Tg會大大提高，其效果又隨離子的價數(shù)而定。用Na+使Tg從l06℃提高到280℃；用Cu2+取代Na+， Tg提高到500℃。
2，其他結構因素的影響
(1) 共聚
      無規(guī)共聚物的Tg介于兩種共聚組分單體的Tg之間，并且隨著共聚組分的變化，其Tg在兩種均聚物的Tg之間線性或非線性變化。
      非無規(guī)共聚物中，Z簡單的是交替共聚，他們可以看成是兩種單體組成一個重復單元的均聚物，因此只有一個Tg。而嵌段或接枝共聚物情況就復雜多了。
(2)交聯(lián)
       隨著交聯(lián)點的增加，高聚物自由體積減少，分子鏈的運動受到約束的程度也增加，相鄰交聯(lián)點之間平均鏈長變小，所以Tg升高。
(3)分子量
      分子量的增加使Tg增加，特別是在分子量很小時，這種影響明顯，當分子量超過一定的程度后，Tg隨分子量變化就不明顯了。
(4)增塑劑和稀釋劑
      增塑劑對Tg的影響也是相當顯著的，玻璃化溫度較高的聚合物在加入增塑劑后，可以使Tg明顯下降。例如：純的聚氯乙烯Tg=78℃,在室溫下是硬塑料，加入45%的增塑劑后，Tg=-30℃，可以作為橡膠代用品。淀粉的玻璃化溫度在加水前后就有明顯的變化。

（來源：北京恒久實驗設備有限公司）

差示掃描量熱法（DSC）測定聚合物的熱性能
 
    差熱分析（Differential Thermal Analysis）是在溫度程序控制下測量試樣與參比物之間的溫度差隨溫度變的一種技術，簡稱DTA。在DTA基礎上發(fā)展起來的是差示掃描量熱法（Differential Scanning Calorimetry），簡稱DSC。差示掃描量熱法是在溫度程序控制下，測量試樣與參比物在單位時間內能量差隨溫度變化的一種技術。
     DTA，DSC在高分子方面的應用特別廣泛，試樣在受熱或冷卻過程中，由于發(fā)生物理變化或化學變化而產(chǎn)生熱效應，在差熱曲線眩耀會出現(xiàn)吸熱或放熱峰。試樣發(fā)生力學狀態(tài)變化時（例如由玻璃態(tài)轉變?yōu)楦邚棏B(tài)），雖無吸熱或放熱現(xiàn)象，但比熱有突變，表現(xiàn)在差熱曲線上是基線的突然變動。試樣內部這些熱效應均可用DTA，DSC進行檢測，發(fā)生的熱效應大致可歸納為：
（1）吸熱反應。如結晶、蒸發(fā)、升華、化學吸附、脫結晶水、二次相變（如高聚物的玻璃化轉變）、氣態(tài)還原等。
（2）放熱反應。如氣體吸附、氧化降解、氣態(tài)氧化（燃燒）、爆炸、再結晶等。
（3）可能發(fā)生的放熱或吸熱反應。結晶形態(tài)的轉變、化學分解、氧化還原反應、固態(tài)反應等。
    DTA、DSC在高分子方面的主要用途是：一是研究聚合物的相轉變過程，測定結晶溫度Tc
、熔點Tm、結晶度Xc、等溫結晶動力學參數(shù)；二是測定玻璃化轉變溫度Tg；三是研究聚合、固化、交聯(lián)、氧化、分解等反應，測定反應溫度或反應溫區(qū)、反應熱、反應動力學參數(shù)等。
 一、實驗目的 
1、了解DSC的基本原理，通過DSC測定聚合物的加熱及冷卻譜圖；
2、通過DSC測定聚合物的Tg、Tm、Tc。
 二、實驗原理 
1、DTA
DTA通常由溫度程序控制、變換放大、氣氛控制、顯示記錄等部分組成，此外還有數(shù)據(jù)處理部分。參比物應選擇那些在實驗溫度范圍內不發(fā)生熱效應的物質，如Al2O3、石英、硅油等。把參比物和試樣同置于加熱爐中的托架上等速升溫時，若試樣不發(fā)生熱效應，在理想情況下，試樣溫度和參比物溫度相等，ΔT=0，差示熱電偶無信號輸出，記錄儀上記錄溫差的筆僅劃一條直線，稱為基線。另一支筆記錄參比物溫度變化。而當試樣溫度上升到某溫度發(fā)生熱效應時，試樣溫度與參比物溫度不再相等，ΔT≠0，差示熱電偶有信號輸出，這時就偏離基線而劃出曲線。由記錄儀記錄的ΔT隨溫度變化的曲線稱為差熱曲線。在DTA曲線上，由峰的位置可確定發(fā)生熱效應的溫度，由峰的面積可確定熱效應的大小，峰的形狀可了解有關過程的動力學特性。
2、DSC
 DSC又分為功率補償式DSC和和流式DSC、熱通量式DSC。后兩種在原理上和DTA相同，只是在儀器結構上作了很大改進。圖13-1是功率補償式DSC示意圖，Perkin-Elmer公司生產(chǎn)的各種型號的DSC都屬這種類型。另一種如圖13-2是熱流型DSC。差示掃描量熱法（DSC）與差熱分析（DTA）在儀器結構上的主要不同是儀器中增加了一個差動補償放大器，以及在盛放樣品和參比物的坩堝下面裝置了補償加熱絲，其他部分均和DTA相同。
    當試樣發(fā)生熱效應時，如放熱，試樣溫度高于參比物溫度，放置在它們下面的一組差示熱電偶產(chǎn)生溫差電勢，經(jīng)差熱放大器放大后送入功率補償放大器，功率補償放大器自動調節(jié)補償加熱絲的電流，使試樣下面的電流減小，參比物下面的電流增大。降低試樣的溫度，參比物的溫度，使試樣與參比物之間的溫差ΔT趨與零。上述熱量補償能及時、迅速完成，使試樣和參比物的溫度始終維持相同。

 
設兩邊的補償加熱絲的電阻值相同，即RS = RR = R，補償電熱絲上的電功率為和。當樣無熱效應時，P2SSPIR=2RRPIR=S = PR。當樣品有熱效應時，PS和PR之差ΔP能反映樣品放（吸）熱的功率：
 
由于總電流（IS + IR）為恒定值，所以樣品放（吸）熱的功率ΔP只與ΔV成正比。記錄Δ
P隨溫度T（或時間t）的變化就是試樣放熱速度（或吸熱速度）隨T（或t）的變化，這就是DSC曲線。在DSC中，峰的面積是維持試樣與參比物溫度相等所需要輸入的電能的真實量度，它與儀器的熱學常數(shù)或試樣熱性能的各種變化無關，可進行定量分析。
DSC曲線的縱坐標代表試樣放熱或吸熱的速度，即熱流速度，單位是mJ/s，試樣的放熱或吸熱的熱量為
 
式（13-2）右邊的積分就是峰的面積A，是 DSC直接測量的熱效應熱量。但試樣和參比物與補償加熱絲之間總存在熱阻，補償?shù)臒崃坑行┞┦?，因此熱效應的熱量應修正為ΔQ=KA。
K稱為儀器常數(shù)，可由標準物質實驗確定。這里的K不隨溫度、操作條件而變，這就是DSC比DTA定量性能好的原因。同時試樣和參比物與熱電偶之間的熱阻可做得盡可能的小，這就使DSC對熱效應的響應快、靈敏，峰的分辨率好。
3、DSC曲線
 
 
    圖13-3是聚合物DTA曲線或DSC曲線的模式圖。當溫度升高，達到玻璃化轉變溫度Tg時，試樣的熱容由于局部鏈節(jié)移動而發(fā)生變化，一般為增大，所以相對于參比物，試樣要維持與參比物相同溫度就需要加大試樣的加熱電流。由于玻璃化溫度不是相變化，曲線只產(chǎn)生階梯狀位移，溫度繼續(xù)升高，試樣發(fā)生結晶則會釋放大量結晶熱而出現(xiàn)吸熱峰。再進一步升溫，試樣可能發(fā)生氧化、交聯(lián)反應而放熱，出現(xiàn)放熱峰，Z后試樣則發(fā)生分解、吸熱、出現(xiàn)吸熱峰。并不是所有的聚合物試樣都存在上述全部物理變化和化學變化。
    確定Tg的方式是由玻璃化轉變前后的直線部分取切線，再在實驗曲線上取一點，如圖13-4a），使其平分兩切線間的距離A，這一點所對應的溫度即為Tg。Tm的確定，對低分子純物質來說，像苯甲酸，如圖13-4（b），由峰的前部斜率Z大處作切線與基線延長線相交，此點所對應的溫度取作為Tm。對聚合物來說，如圖13-4（c）所示，由峰的兩邊斜率Z大處引切線，相交點所對應的溫度取作為Tm，或取峰頂溫度作為Tm。Tc通常也是取峰頂溫度。峰面積的取法如圖13-3中（d）、（e）所示。可用求積儀或數(shù)格法、親朋好友紙稱重法量出面積。如果峰前峰后基線基本水平，峰對稱，其面積以峰高乘半寬度，即A=h×Δt1/2
，如圖13-4（f）所示。如果結晶試樣的熔融熱*fHΔ已知，則試樣的結晶度可以用下式計算：
 
 
4、影響實驗結果的因素
    DSC的原理和操作都比較簡單，但取得精確的結果卻很不容易，因為影響因素太多，這些因素有儀器因素、試樣因素。儀器因素主要包括爐子大小和形狀、熱電偶的粗細和位置、加熱速度、記錄紙速度、測試時的氣氛、盛放樣品的坩堝材料和形狀等。試樣因素主要包括顆粒大小、熱導性、比熱、填裝密度、數(shù)量等。在固定一臺儀器時，儀器因素中的主要影響因素是加勢速度，樣品因素中主要是樣品的數(shù)量，在儀器靈敏度許可的情況下，試樣應盡可能的少。在測Tg時，熱容變化小，樣品的量應當適當多一些。試樣的量和參比物的量要區(qū)配，以免兩者熱容相差太大引起基線飄移。
 三、儀器和試劑 
1、差示掃描量熱儀。
    本實驗采用北京恒久實驗設備有限公司生產(chǎn)的低溫差示掃描量熱儀DSC，其測量溫度范圍為-150℃到680℃，升溫速度為0.1～100℃/min，DSC靈敏度可達到±0.1μW,其外形如圖
13-5
             
 
2、苯甲酸、聚乙烯、滌綸等樣品。
四、實驗步驟 
1、制樣
取3～10mg左右的樣品放在鋁皿中，蓋上蓋子，用卷邊壓制器沖壓即可。除氣體外，固態(tài)液態(tài)或粘稠狀樣品均可用于測定。裝樣時盡可能使樣品均勻，密實地分布在樣品皿中，以提高傳熱效率，降低熱阻。
2、校正
 儀器在剛開始使用或使用一段時間后需進行基線、溫度和熱量校正，以保證數(shù)據(jù)的準確性。
（1）基線校正
 在所測的溫度范圍內，當樣品池和參比池都未放任何東西時，進行溫度掃描，得到的譜圖應是一條直線，如果有曲率或斜率甚至出現(xiàn)小吸熱或放熱峰，則需要進行儀器的調整和爐子的清洗，使基線平直。
 （2）溫度和熱量校正
 坐一系列標準物質的DSC曲線，然后與理論值進行比較，并進行曲線擬合，以消除儀器誤差。
 3、測試
    打開N2保護，啟動DSC儀器的電源，穩(wěn)定10min后，將樣品放在樣品室中。運行DSC
儀監(jiān)控程序，設定各種參數(shù)，進行測試，具體步驟如下：
點主菜單“設置”－“串口設置”，設置通訊端口。連接上串口線，儀器會檢測可用端口，點擊端口右邊三角形下拉選擇按鈕菜單，可選擇查看可用端口，其他參數(shù)保持默認，確認退出設置，點擊“儀器狀態(tài)”刷新，直到“儀器狀態(tài)”顯示“正常”。計算機若只連接一臺儀器（使用一個串口），端口會自動設置好，點擊確認退出設置即可！
 
點擊主菜單“設置”-“基本參數(shù)設定”，依據(jù)儀器類型根據(jù)采集需要設置參數(shù)。
 
 
l 注：“基本參數(shù)設定”是開始采集前軟件Z后的參數(shù)設置，用戶將對如下信息進行設定：
分析設備類型：
DSC（僅熱流曲線，差示掃描量熱儀適用）；
設定量程：
量程：默認設置，DSC為20；
基線位置：DSC零點（起始點）位置，采集曲線的初始位置；縱坐標由下向分為0~ 20，采集窗口中間為10；
溫升參數(shù)設定：
采樣周期：控制實際數(shù)據(jù)采集周期，1000ms即1秒采集1個數(shù)據(jù)點；
溫度下限：溫度坐標軸顯示的Z低溫度點；
溫度上限：溫度坐標軸顯示的Z高溫度點；
放大器增益：
儀器參數(shù)的放大倍數(shù)，保持默認值即可。
 
4.3.3新建采集
新建一個采集。點擊工具欄“開始”或者主菜單“文件-新采集”，彈出“設置新升溫參數(shù)”，如實將基本設置中填寫實驗信息，依據(jù)實驗條件設置分段升溫參數(shù)（加溫程序），點擊“檢查”檢查參數(shù)設置，點擊“確認”開始采集數(shù)據(jù)。
提示：點擊“從文件中讀”，選擇與當前實驗分段升溫參數(shù)相同的實驗數(shù)據(jù)文件（*.hjd），讀得上次實驗加溫程序，能避免重復輸入的分段升溫參數(shù)。
 
l 注：不能正常采集
未彈出“設置新升溫參數(shù)”，請查看軟件工具欄“儀器狀態(tài)”是否顯示“正?！?。
狀態(tài)欄Z左邊顯示儀器當前運行狀態(tài)，單擊即可打開（如下圖），查看計算機與儀器通訊信息，可幫助找出故障原因。
 
顯示發(fā)送“聯(lián)絡命令”請檢查通信線、儀器主機電源和軟件端口設置。
顯示“等待溫控參數(shù)接受完成”是軟件未正確安裝或下位機故障。
l 注：實驗數(shù)據(jù)采集程序以實驗開始前參數(shù)設定為主要工作。在本操作界面，用戶可對將進行的樣品分析實驗進行如下數(shù)據(jù)設定操作：
試樣名稱：填入實驗試樣名稱，必須使用windows下命名文件合法的字符，否則采集完成不能正常保存數(shù)據(jù)；
試樣序號：填入實驗排列序號，必須使用阿拉伯數(shù)字，否則彈出“非法浮點數(shù)”對話框，不能正常采集數(shù)據(jù)。
操作員：填入實驗操作人，漢字、字母、數(shù)字及符號以及它們的組合。
試樣重量：熱重實驗和有質量要求的差熱實驗需要精確測量，建議使用分辨率d=0.1mg和分辨率更高的天平進行實驗樣品的稱量工作。
5）“分段升溫參數(shù)”程序設置多段升溫參數(shù)，完成升溫、降溫、恒溫。起始溫度是數(shù)據(jù)開始采集的溫度；升溫速率控制樣品的升／降溫速度；終止溫度是升／降溫的目標溫度；保溫時間是升／降溫到達目標溫度后保溫的時間；序號區(qū)分溫度段并顯示加熱段數(shù)。
? 常規(guī)實驗升溫：“初始溫度”溫度設置為“25”保持默認值即可，“升溫速率”和“終止溫度”根據(jù)實驗需要進行選擇，“保溫時間”設置為0。
 

 
 
? 恒溫：“保溫時間”中根據(jù)實驗要求進行設置。
 

 
 
? 階梯升溫，可設置多段升溫程序，包括升溫、降溫、恒溫。初始溫度只需設置一次，點擊下一序號段終止溫度，軟件自動讀上一段終止溫度作為新段的初始溫度。手動設置，溫度段的初始溫度必須與上一段的終止溫度相同。
 
  
 
? 階梯升溫、恒溫、降溫可一鍵設置。

 
 
2、儀器按照加溫程序設置自動加熱，按采樣周期采集數(shù)據(jù)點，以時間／溫度為X軸，參數(shù)數(shù)據(jù)為Y軸，顯示在曲線顯示區(qū)中。
 
 
 
3、采集時顯示實時采樣數(shù)據(jù)（HCT如下圖所示）。溫度、差熱和熱重均為實時數(shù)據(jù)，“已用時”，是實驗已進行的時間，以小 時 分 秒表示；“還剩余”是正常完成實驗采集尚需要時間，顯示的剩余時間和準確的剩余時間可能有出入，因為儀器芯片自保護。
 
 
停止采集。當數(shù)據(jù)采集程序到達設定時間后，采集程序自動停止，彈出“正常完成采樣任務”點擊“確認”，彈出保存對話框，瀏覽文件夾，保存數(shù)據(jù)到指定的目錄。點擊工具欄“停止”按鈕能手動結束采樣，彈出保存對話框。
 
提示：點擊主菜單“文件－設置數(shù)據(jù)文件夾” 設置采集完成后保存文件默認路徑。
 
五、 實驗記錄及數(shù)據(jù)處理 
   由DSC曲線確定樣品的玻璃化溫度Tg、結晶溫度Tc及熔融溫度Tm，并求其熔融熱ΔHf。
六、結果與討論 
   玻璃化轉變得本質是什么？有哪些影響因素？

1）Linseis的原理是功率補償型原理還是熱流型？ 
熱流型原理

2）DSC的應用范圍？
可用于測量包括高分子材料在內的固體、液體材料的熔點、沸點、玻璃化轉變、比熱、結晶溫度、結晶度、純度、反應溫度、反應熱。

3）功率補償型DSC有何優(yōu)點？

1.    精確的溫度控制和測量

2.    更快的響應時間和冷卻速度

3.    高分辨率

4）基線為何很重要，如何校正？ 
基線的重要性：

1.    樣品產(chǎn)生的信號及樣品池產(chǎn)生的信號必須加以區(qū)分；

2.    樣品池產(chǎn)生的信號依賴于樣品池狀況、溫度等；

3.    平直的基線是一切計算的基礎。

如何得到理想的基線

1.    干凈的樣品池、儀器的穩(wěn)定、池蓋的定位、清洗氣；

2.    選擇好溫度區(qū)間，區(qū)間越寬，得到理想基線越困難；

3.    進行基線Z佳化操作。

5）主要是什么因素導致儀器損壞？

1.    用力過大，造成樣品池不可挽救的損壞；

2.    操作溫度過高（鋁樣品皿，溫度>600℃）；

3.    樣品池底部電接頭短路和開路；

4.    樣品未被封住，引起樣品池污染。

      DTA(差熱分析儀）只可以做定性或者是半定量分析，但是DSC（差示掃描量熱儀）可以做嚴格的定量分析，原因在于DTA獲得的是deltaT與溫度T之間的關系，而DSC獲得的是deltaH與T之間的關系，因此前者無法定量分析，但后者可以。

      差示掃描量熱儀和差熱分析儀所測出來的曲線趨勢大致一樣，就是物理意義不同，差示掃描量熱儀測量的是程序控制溫度條件下，樣品和參比物之間功率差與溫度的關系，而差熱分析儀測量的是程序控制溫度條件下，樣品和參比物之間溫度差與溫度或時間的關系。從熱學和熱統(tǒng)的知識看，他們曲線是一致的。升溫過程中，樣品開始開始反應時的升溫速率和程序控制的升溫速率是不一致的，是因為樣品開始開始反應時的升溫速率起初可能跟不上程序控制的升溫速率，導致溫度有一定的滯后。

      差示掃描量熱儀（DSC）將與材料轉變相關聯(lián)的溫度和熱流作為時間和溫度的函數(shù)進行確定。該儀器還提供物理轉變（由相變化、熔化、氧化以及其他與熱相關的變化引起）期間材料吸熱（熱量吸收）和放熱（熱量散發(fā)）過程的定量與定性數(shù)據(jù)。

差示掃描量熱法（DSC）

差示掃描量熱法（DSC）是一種熱分析技術，在該技術中，在樣本和參比物接受相同的溫度控制程序時，測量流入樣本和參比物的熱流速率之間的差異作為溫度或時間的函數(shù)。

例如，在加熱過程中樣本熔融時，DSC信號表現(xiàn)出吸熱峰?？梢愿鶕?jù)峰值確定熔融的特征溫度和焓。

有兩種不同的DSC測量方法：

熱流 DSC

由樣品和參比物形成的樣品單元的溫度在特定程序中變化，且測量樣品和參比物之間的溫差作為溫度的函數(shù)。

功率補償 DSC

測量每單位時間內施加到樣品和參比物上的熱能差作為溫度的函數(shù)，以使它們的溫度相等，同時由樣品和參比物形成的樣品單元的溫度在特定程序中變化。

DSC的工作方式？

由于最 流行的DSC是熱流DSC，我們將重 點解釋熱流DSC如何工作。將待分析的樣品和參比物置于DSC加熱爐中，并在受控條件下改變加熱爐的溫度。樣本與參比材料之間的溫差與所用溫度成函數(shù)關系。

樣品和熱穩(wěn)定參比物之間的溫度差表明樣品內的狀態(tài)變化。

以上輸出溫度熱圖說明了DSC分析運行的典型信息，是溫度差（熱流：y軸（mW/mg））與上升的應用溫度（x軸）的關系圖。

基線偏移顯示了玻璃化轉變發(fā)生的溫度以及發(fā)生玻璃化轉變所需的能量。放熱峰的位置和分布情況給出了冷結晶溫度及其釋放能量的信息，吸熱峰與熔融溫度和通過該熱轉變所需的能量有關。這些信息可以確認聚合物ID、質量、結晶度和純度等，非常適用于檢查原材料質量。

熱流DSC由樣品和參比物支架、熱阻、散熱器和加熱器組成。加熱器的熱量通過散熱器和熱阻提供給樣品和參比物。熱流與散熱器和支架的溫差成正比。與樣品相比，散熱器具有足夠的熱容量。

如果樣品經(jīng)歷了如轉變和反應等吸熱或放熱現(xiàn)象。這種吸熱或放熱現(xiàn)象會暫時使樣品溫度不同于程序溫度。因此，樣品溫度將不同于熱惰性的參比溫度。樣品和參比溫度的差異與經(jīng)歷熱事件所需或釋放的能量成正比。通過使用標準物校準儀器，可以精確測量經(jīng)歷熱事件所需的溫度和能量。

DSC提供了哪些熱特性信息？

DSC支持如玻璃化轉變、熔化和結晶等測量轉變。此外，還可以測量如熱固化和UV固化、熱歷史、比熱容（Cp）和純度分析等化學反應。

最 近，隨著高功能高分子材料的發(fā)展，對熱特性細微變化的分析急劇增加。

這里列出了可以用DSC測量的現(xiàn)象和獲得的信息。

決定材料是否適用給定應用的兩個主要基本材料特性是玻璃化轉變和熔融。

玻璃化轉變（Tg）表示在一定溫度下，物質從玻璃態(tài)（硬）轉變?yōu)橄鹉z態(tài)（軟），反之亦然。玻璃化轉變將出現(xiàn)在含有缺乏有序性的非晶相的材料中?？梢酝ㄟ^工藝或添加添加劑來控制溫度和材料非晶的程度，這將給予所需的材料機械特性。確定玻璃化轉變?yōu)椴牧系纳a(chǎn)參數(shù)優(yōu)化、質量控制和失效分析提供了溫度上下限。

熔點（Tm）表示發(fā)現(xiàn)第 一可檢測液相的溫度點，此時未遺留固體材料?？梢詸z測結晶和半結晶材料的熔點，且其熔化焓可用于確定材料的純度和結晶度。 

如何解釋特定于ASTM方法的DSC結果

我們選擇了ASTM E794-06（2018）熱分析熔融和結晶溫度的標準試驗方法作為例子，通過解釋結果加以討論。

本試驗方法描述了通過差示掃描量熱法（DSC）和差示熱分析法（DTA）測定純材料的熔融（和結晶）溫度。

以下DSC曲線顯示了這種技術如何區(qū)分不同類型的聚合物。聚合物因類型和組成不同而具有不同的熔融溫度（添加劑的類型或濃度）。以下例子顯示了兩種類型的聚乙烯（高密度和低密度），它們的熔點不同。聚合物的熔融溫度取熔融過程的峰值。

該測量結果可用于確認進料的原材料標識、檢測微量雜質（如聚乙烯中的聚丙烯）以及最 終產(chǎn)品規(guī)格。它適用于粉末、薄膜或顆粒。

使用DSC的優(yōu)勢？

DSC可能是四種熱分析技術中最 流行的一種，溫度范圍較寬使其能夠檢測到大范圍的轉變。測量材料的轉變也很容易，尤其是對于玻璃化轉變很重要的聚合物。 

日立DSC分析儀系列可實現(xiàn)明顯更好的熱分析

DSC儀器具有世界一 流的靈敏度和基線重現(xiàn)性，能夠提供更精確的試驗，甚至能夠評價最小的熱事件。創(chuàng)新型Real View 相機系統(tǒng)在測量過程中提供實時觀察結果，從而進行顏色分析、測量尺寸變化以及了解非預期結果。在測量過程中查看樣品圖像也有助于與同事和可能不了解這項技術的客戶分享結果。DSC200為常規(guī)應用提供了領先的技術，無任何限制，是各種應用場景的理想選擇。DSC600專門設計用于滿足最 先進的材料開發(fā)和失效分析，這要歸功于其靈敏度和分辨率，尤其是用于應用研究領域中。