聚合物的热分析 差示扫描量热法（ DSC）
差示扫描量热法是在差热分析 （DTA ）的基础上发展起来的一种热分析技术。 它被定义为：在温度程序控制下， 测量试量相对于参比物的热流速随温度变化的 一种技术。简称 DSC（DiffeVential SCanning CalOVimltry ）。DSC 技术克服了 DTA 在计算热量变化的困难，为获得热效应的定量数据带来很大方便，同时还兼具 DTA的功能。因此，近年来DSC的应用发展很快，尤其在高分子领域内得到了 越来越广泛的应用。 它常用于测定聚合物的熔融热、 结晶度以及等温结晶动力学 参数，测定玻璃化转变温度Tg ；研究聚合、固化、交联、分解等反应；测定其 反应温度或反应温区、 反应热、 反应动力学参数等， 业已成为高分子研究方法中 不可缺少的重要手段之一。
一、 目的和要求
了解差示扫描量热法的基本原理及应用范围， 掌握测定聚合物熔点、 结晶度、 结晶温度及其热效应的方法。
二、 实验原理
DSC 和 DTA 的曲线模式基本相似。 它们都是以样品在温度变化时产生的热 效应为
检测基础的，由于一般的 DTA 方法不能得到能量的定量数据。于是人们 不断地改进设计， 直到有人设计了两个独立的量热器皿的平衡。 从而使测量试样 对热能的吸收和放出 （以补偿对应的参比基准物的热量来表示） 成为可能。 这两 个量热器皿都置于程序控温的条件下。 采取封闭回路的形式， 能精确、 迅速测定 热容和热焓，这种设计就叫做差示扫描量热计。 DSC 体系可分为两个控制回路。 一个是平均温度控制回路，另一个是差示温度控制回路。
在平均温度控制回路中，由程序控温装置中提供一个电信号， 并将此信号于 试样池和参比池所需温度相比较，与之同时程度控温的电信号也接到记录仪进行 记录。现在看一下程序温度与两个测量池温度的比较和控制过程。
比较是在平均
放大器内进行的，程序信号直接输入平均放大器，而两个测量池的信号分别由固 定在各测量池上的铂电阻温度计测出， 通过平均温度计算器加以平均后， 再输入 平均温度放大器。经比较后，如果程序温度比两个测量池的平均温度高， 则由放 大器分别输入更多的电功率给装在两个测量池上的独立电热器以提高它们的温 度。反之，则减少供给的电功率，把它们的温度降到与程序温度相匹配的温度。 这就是温度程序控制过程。
DSC与DTA所不同的是在测量池底部装有功率补偿器和功率放大器。 因此
在示差温度回路里，显示出DSC和DTA截然不同的特征，两个测量池上的铂电 阻温度计除了供给上述的平均温度信号外， 还交替地提供试样池和参比池的温度 差值AT。输入温度差值放大器。当试样产生放热反应时，试样池的温度高于参 比池，产生温差电势，经差热放大器放大后送入功率补偿放大器。
在补偿功率作用下，补偿热量随试样热量变化，即表征试样产生的热效应。 因此实验中补偿功率随时间（温度）的变化也就反映了试样放热速度（或吸热速 度）随时间（温度）的变化，这就是 DSC曲线。它与DTA曲线基本相似，但其
纵坐标表示试样产生热效应的速度（热流率），单位为毫卡（毫焦） 标是时间或温度，即 dH/dt — t （时间或温度T）曲线（见图6-2）。
/秒，横坐
放热行为
结曰 （固化，氧化，反应，交联） 结日日
玻璃化转变
基线
I I
固固 一级转变
熔融吸热行为
分解气化
Tg TC Tm Td
DSC
曲线
图6-2 dH/dt — t （时间t或温度T）曲线
同样规定吸热峰向下，放热峰向上，对曲线峰经积分，可得试样产生的热量
△ HO
1. DSC与DTA的差别
DSC与DTA相比，虽然曲线相似，但表征有所不同。DTA测定的是试样与 参比物
的温度差，而DSC测定的是功率差厶Hc,功率差直接反应了热量差△ HC， 这是DSC进行定量测试的基础。
在DTA方法中，当试样产生热效应时，△ T≠0，此时样品的实际温度已不 是程序升温所控制的温度，这就产生了样品和基准物温度的不一致。 由于样品池 与参比池在一起，物质之间只要存在温度差，二差之间就会有热传递，因此给定 量带来困难，在DSC方法中，样品的热量变化由于随时得到补偿。样品与参比 物无温差厶T=O,二物质间无热传递。因此在 DSC测试中不管样品有无效应， 它都能按程序控制进行升、降温。
而最重要的是在DTA中仪器常数K （主要表征的是热传导率）是温度的函 数，即仪器的量热灵敏度随温度的升高而降低， 所以它在整个温度范围内是一一 变量，需经多点标定，而 DSC中K值与温度无关，是单点标定。
2、DSC曲线的标定
（1）温度的标定
DSC与DTA 一样，同样需要对温度进行标定，由于 DSC求测的是样品产 生的热
效应与温度的关系，因此仪器温度示值的标准性非常重要。 当然仪器在出 厂之时进行过校正。但在使用过程中仪器的各个方面会发生一些变化，使温度的 示值出现误差。为提高数据的可靠性，需要经常对仪器的温度进行标定， 标定的 方法是采用国际热分析协会规定的已知熔点的标准物质（见表
高纯铟、高纯锡、高纯铅在整个工作温度范围内进行仪器标定，
1）。99.999%的
具体方法是将几
种标准物分别在DSC仪上进行扫描。如果某物质的DSC曲线上的熔点与标准不 相符。说明仪器温度示值在该温区出现误差。 此时需调试仪器该温区温度， 使记 录值等于或近似于标准值（仪器调试方法见仪器说明书）。
表1标准物质的转变温度及热量
物质名称 KNO 3 In Sn KClO 4 Ag 2SO4 Pb Zn AgNO 3 转变类型 多晶转变 熔融 熔融 分解 多晶转变 熔融 熔融 多晶转变 熔融 脱水 多晶转变 熔融 转变温度（C） 127.7 156.6 231.9 299.5 热量（卡/克） 12.8 6.8 14.6 26.5 412 327.4 419.5 5.5 24.4 160 212 400 573 804 210 4.83 117 SiO Sd NaCl 3. 影响 DSC 曲线的因素 DSC 的原理及操作都比较简单，但要获得精确结果必需考虑诸多的影响因 素。下面
介绍一下主要的仪器因素及样品影响因素。
(1) 仪器影响因素
a. 气氛的影响：
气氛可以是惰性的， 也可以是参加反应的， 视实验要求而定。 测定时所用的 气氛不同，有时会得到完全不同的 DSC 曲线。例如某一样品在氧气中加热会产 生氧化裂解反应—先放热， 后吸热； 如在氯气中进行， 产生的是分解反应—吸热 反应。二者的 DSC 曲线就明显不同。
气氛还可分为动态和静态两种形式。 静态气氛通常是密闭系统。 反应发生后 样品上空逐渐被分解出的气体所充满。这时由于平衡的原因会导致反应速度减 慢。以致使反应温度移向高温。而炉内的对流作用使周围的气氛(浓度)不断的 变化。这些情况会造成传热情况的不稳定。 导致实验结果不易重复。 反之在动态 气氛中测定， 所产生的气体能不断地被动态气氛带走。 对流作用反而能保持相对 的稳定，实验结果易重复。 另外气体的流量应严格控制一致。 否则结果将不会重 复。
b. 温度程序控制速度：
加热速度太快，峰温会偏高，峰面积偏大，甚至会降低两个相邻峰的分辨率。 对聚合物的玻璃化的转变来说， 是一个分子链段运动状态的松弛过程。 对升(降) 温速度有强烈依赖性。 升温速度较慢时， 大分子链段即可在较低的温度下吸热解 冻。使 Tg 向低温移动，当升温速度极慢时，则根本观察不到玻璃化转变。因此， 通常采用10C /分。
(2) 样品因素 a. 试样量：
试样量同参比物的量要匹配 ，以免两者热容相差太大引起基线漂移。 试样量 少，峰小而尖锐，峰的分辨率高。重视性好。并有利于与周围控制气氛相接触。 容易释放裂解产物，从而提高分析效果；试样量大，峰大而宽，峰温移向高温。 但试样量大， 对一些细小的转变， 可以得到较好的定量效果。 对均匀性差的样品， 也可获得较好的重复结果。 b. 试样的粒度及装填方式：
试样粒度的大小， 对那些表面反应或受扩散控制反应 （例如氧化） 影响较大。 粒度小、峰移向低温方向。装填方式影响到试样的传热情况，尤其对弹性体。因 此最好 采用薄膜或细粉状试样， 并使试样铺满盛器底部 ，加盖封紧，试样盛器底 部尽可能平整。以保证和样品池之间的加盖接触。
差示扫描量热法DSC简介
