本文介紹了差示掃描量熱儀（DSC）的工作原理，分析了典型熱轉(zhuǎn)變過程的DSC特征曲線，所介紹案例可作為DSC曲線解析參考，滿足用戶測試需求。

前言

DSC-40A是一款由仰儀科技開發(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(zhuǎn)變溫度、熔點、結(jié)晶溫度、結(jié)晶度、熔融焓、結(jié)晶焓、結(jié)晶動力學(xué)、反應(yīng)動力學(xué)參數(shù)、比熱容、材料相容性和膠凝轉(zhuǎn)化率等基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，廣泛應(yīng)用于高分子材料、生物醫(yī)藥、無機(jī)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曲線反映的各種參數(shù)信息，揭示熱過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(yīng)用

圖2 熱流型DSC典型爐體結(jié)構(gòu)^[1]

2. DSC研究玻璃化轉(zhuǎn)變過程

玻璃化轉(zhuǎn)變表示高分子材料從“玻璃態(tài)”轉(zhuǎn)變?yōu)?ldquo;橡膠態(tài)”的過程。在玻璃化溫度T_g以下，分子運(yùn)動基本凍結(jié)；到達(dá)T_g時，分子運(yùn)動活躍起來，熱容量增大，曲線向吸熱一側(cè)偏移。非晶態(tài)不相容的二元共聚物一般有兩個玻璃化轉(zhuǎn)變，而且玻璃化轉(zhuǎn)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，曲線B和曲線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(zhuǎn)變曲線。共聚后的熱塑性彈性體SBS有兩個玻璃化轉(zhuǎn)變溫度T_g1和T_g2，分別向高溫側(cè)和低溫側(cè)偏移。玻璃化轉(zhuǎn)變溫度可以分析材料凝聚態(tài)結(jié)構(gòu)，指導(dǎo)科學(xué)研究和工業(yè)生產(chǎn)。

圖3 SBS嵌段共聚物的DSC曲線^[2]

3. DSC研究結(jié)晶過程

圖4 不同降溫速率下的 PP 熔體結(jié)晶 DSC 曲線^[3]

圖5 聚丙烯氧化誘導(dǎo)時間DSC曲線^[4]

通過多重掃描速率下的DSC曲線，使用Kissinger 法研究鋰離子電池聚合物電解質(zhì)熱解動力學(xué)。如圖6所示，PEO固態(tài)聚合物電解質(zhì)有三個主要吸熱峰。第一個分解階段為100.9~131.2℃，代表PEO全固態(tài)聚合物電解質(zhì)的熔融峰；第二個分解階段為131.3~258.3℃，推測為PEO中活化能較低的側(cè)鏈斷裂，反應(yīng)生成分子量較低的聚合物，吸收大量的熱。第三個分解階段為258.4~378.7℃，代表PEO基體主鏈發(fā)生熱解。動力學(xué)參數(shù)見表1。

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

圖7 比熱測定結(jié)果^[6]

圖8為紅松試樣在先降溫后升溫后得到的DSC曲線。從DSC曲線可看出，溫度降至約-18℃時，會出現(xiàn)1個明顯的放熱峰；在升溫階段，溫度升至約0～10℃時，會出現(xiàn)2個連續(xù)的吸熱峰，其中1個峰窄而小。結(jié)果表明，木材試樣內(nèi)部的水分發(fā)生了相變，因此可以依據(jù)單位質(zhì)量冰的熔化熱值對木材內(nèi)的水分進(jìn)行定量分析。

圖8 紅松試樣 DSC 曲線^[7]

總結(jié)

^{近年來，國產(chǎn)DSC儀器已經(jīng)取得了顯著進(jìn)步，在準(zhǔn)確性、精密度和穩(wěn)定性等方面有了顯著提升。除此之外，仰儀科技新品DSC-40A新增了強(qiáng)大的人機(jī)交互與自動進(jìn)樣等多功能選配。該儀器可準(zhǔn)確測量不同材料的熱特性參數(shù)，幫助研發(fā)人員深入研究和理解材料結(jié)構(gòu)與性能的影響因素，為材料科學(xué)提供重要支撐性數(shù)據(jù)。}

[1]Kv K, Attarde, Pr Y , et al. Differential Scanning Calorimetry: A Review.[J]. Research and Reviews, 2014(3).

[2]張倩. 高分子近代分析方法[M]. 成都：四川大學(xué)出版社, 2020.12.

[3]孟穎異. 聚合物結(jié)晶特征溫度的熱分析研究[D].南京理工大學(xué), 2020.000344.

[4]董寶鈞,張立軍,高海等.差示掃描量熱法測定聚烯烴的氧化誘導(dǎo)時間[J].橡塑技術(shù)與裝備,2010,36(11):25-27.

[5] 鮑俊杰. 全固態(tài)鋰電池用聚氨酯基固態(tài)聚合物電解質(zhì)的制備與性能研究[D]. 中國科學(xué)技術(shù)大學(xué),2018.

[6]Villano P, Carewska M, Passerini S. Specific heat capacity of lithium polymer battery components[J]. Thermochimica acta, 2003, 402(1-2): 219-224.

[7]徐華東,王立海.凍結(jié)紅松和大青楊濕木材內(nèi)部水分存在狀態(tài)及含量測定[J].林業(yè)科學(xué),2012,48(02):139-143.