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差示扫描量热仪原理及应用

发布时间:2021-07-07浏览:169次

量热学是研究如何测量各种过程伴随的热量变化的学科。精确的热性质数据原则上都可通过量热学实验获得,量热学实验是通过量热仪进行的实施过程。



什么是差示扫描量热法及应用?


差示扫描量热法(DSC)是在程序控制温度条件下,测量输入给样品与参比物的功率差与温度关系的一种热分析方法。差热分析(DTA)是在程序控制温度条件下,测量样品与参比物之间的温度差与温度关系的一种热分析方法。


两种方法的物理含义不一样,DTA仅可以测试相变温度等温度特征点,DSC不仅可以测相变温度点,而且可以测相变时的热量变化。DTA曲线上的放热峰和吸热峰无确定物理含义,而DSC曲线上的放热峰和吸热峰分别代表放出热量和吸收热量。因此我们以DSC为例来剖析量热分析。


差示扫描量热法(Differential Scanning Calorimetry,简称DSC)为使样品处于一定的温度程序(升/降/恒温)控制下,观察样品端和参比端的热流功率差随温度或时间的变化过程,以此获取样品在温度程序过程中的吸热、放热、比热变化等相关热效应信息,计算热效应的吸放热量(热焓)与特征温度(起始点,峰值,终止点...)。


DSC方法广泛应用于塑料、橡胶、纤维、涂料、粘合剂、医药、食品、生物有机体、无机材料、金属材料与复合材料等各类领域,可以研究材料的熔融与结晶过程、玻璃化转变、相转变、液晶转变、固化、氧化稳定性、反应温度与反应热焓,测定物质的比热、纯度,研究混合物各组分的相容性,计算结晶度、反应动力学参数等。


热流型差示扫描量热仪原理:



如上图所示,样品坩埚内装有样品,与参比坩埚(通常为空坩埚)一起置于传感器盘上,两者之间保持热对称,在一个均匀的炉体内按照一定的温度程序(线性升温、降温、恒温及其组合)进行测试,并使用一对热电偶(参比热电偶,样品热电偶)连续测量两者之间的温差信号。由于炉体向样品/参比的加热过程满足傅立叶热传导方程,两端的加热热流差与温差信号成比例关系,因此通过热流校正,可将原始的温差信号转换为热流差信号,并对时间/温度连续作图,得到DSC图谱。


样品热效应引起参比与样品之间的热流不平衡,由于热阻的存在,参比与样品之间的温度差()与热流差成一定的比例关系。将对时间积分,可得到热焓:(温度,热阻,材料性质…)


由于两个坩埚的热对称关系,在样品未发生热效应的情况下,参比端与样品端的信号差接近于零,在图谱上得到的是一条近似的水平线,称为“基线”。当然任何实际的仪器都不可能达的热对称,再加上样品端与参比端的热容差异,实测基线通常不完全水平,而存在一定的起伏,这一起伏通常称为“基线漂移”。


而当样品发生热效应时,在样品端与参比端之间则产生了一定的温差/热流信号差。将该信号差对时间/温度连续作图,可以获得类似如下的图谱:






差热分析曲线怎样分析?



按照DIN标准与热力学规定,图中所示向上(正值)为样品的吸热峰(较为典型的吸热效应有熔融、分解、解吸附等),向下(负值)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有玻璃化转变、铁磁性转变等)。


图谱可在温度与时间两种坐标下进行转换。


对于吸/放热峰,较常用的可以分析其起始点、峰值、终止点与峰面积。这其中:


起始点:峰之前的基线作切线与峰左侧的拐点处作切线的相交点,往往用来表征一个热效应(物理变化或化学反应)开始发生的温度(时间)。


峰值:吸/放热效应最大的温度(时间)点。


终止点:峰之后的基线作切线与峰右侧的拐点处作切线的相交点,与起始点相呼应,往往用来表征一个热效应(物理变化或化学反应)结束的温度(时间)。


面积:对吸/放热峰取积分所得的面积,单位J/g,用来表征单位重量的样品在一个物理/化学过程中所吸收/放出的热量。


另外,在软件中还可对吸/放热峰的高度、宽度、面积积分曲线等特征参数进行标示。对于比热变化过程,则可分析其起始点、中点、结束点以及拐点、比热变化值等参数。