DSC分析在各测试项目中的应用-领先材料检测技术（深圳）有限公司

DSC分析在各测试项目中的应用

时间：2024-05-21

差示扫描量热法（DSC）是一种强大的热分析技术，它通过测量样品在受控温度程序下的热流变化来揭示材料的热性质。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。

前面我们讲到DSC的原理、测试方法和曲线图知识，那么现在来讲讲，DSC分析在各测试项目中是应用的呢？（注：详见上期文章“材料热分析——DSC分析”）

金属和非金属材料都可以用DSC分析，主要是用来分析非金属材料。

1. 非金属材料

DSC分析在主成分定性/定量、成分分析、异物分析、失效分析等多个测试项目中都有着广泛的应用。

1.1 主成分定性/定量

DSC可以用来确定样品中主成分的类别和相对含量。通过分析样品的热谱图，可以识别出不同成分的特征热效应，如熔点、玻璃化转变温度Tg、结晶度等，从而对样品中主要成分定性/定量（注：从非金属材料的结晶度考虑，可分为晶体和非晶体两类。而只有晶体才有熔点，非晶体有软化点）。

例如，上文中提到的通过测定熔点来区分PA6和PA66材料。

1.2 成分分析

成分分析是DSC的重要应用领域。可以通过测定样品的熔点等来分析其纯度，如果样品中含有杂质，其熔点会改变，DSC曲线会出现多个熔融峰；还可以用于分析混合物间的相容性，通过监测混合物的热行为变化来评估它们之间的相互作用；在聚合物分析中，DSC可以用来区分不同的聚合物类型，并定量分析共聚物中各单体的含量。通过比较未知样品与已知标准品的热谱图，实现对成分的定性和定量分析。例如，之前对某塑料外壳样品进行了检测，通过常规红外、EDS、GCMS等分析手段，检测结果是主成分为71.9%的聚丙烯（PP），如图1所示。

客户提出样品中加入了少量的聚乙烯（PE），聚乙烯和聚丙烯的物性相似，因此常规分析技术手段没有将少量的PE区分出来。由于PE与另外三个已检测出来占比最多的PP、玻璃纤维和氧化钙熔点不同（PE熔点为120℃，PP熔点为164~170℃，玻璃纤维熔点为1000℃，氧化钙的熔点为2572℃），便通过DSC法对样品进行复测，温度控制在250℃左右即可，测试谱图如图2所示。

从图2，DSC曲线呈现2个峰，第一个峰的峰温度为125.48℃，第二个峰的峰温度为164.24℃，与PE和PP的熔点一一对应，且通过对比峰面积，大概得出PP和PE的相对含量。因此检测结果需要进行更新，如图3所示。

1.3 异物分析

DSC可以用来识别和分析材料中的未知或外来成分。当产品中出现不期望的物质时，DSC可以通过其独特的热谱图来识别这些异物。例如，在高分子材料的工业生产中，如果产品中表面出现了不期望的物质，DSC可以通过其熔融或变性温度来识别这些成分。通过与数据库中的标准热谱图进行比较，可以确定异物的性质。

1.4 失效分析

DSC可以用来研究材料或产品在实际使用中的性能退化，也可以对合格品与不合格品的成分进行辅助分析。通过分析失效样品的热谱图，可以揭示出导致失效的热过程，如氧化、固化、分解、交联等。例如，在电子行业中，DSC可以用来分析电路板上的焊点在热循环后的性能变化，通过监测焊料的热行为来评估其可靠性和寿命，以提高产品性能。

2. 金属材料

DSC同样可以测试金属材料，主要用于分析材料的热性质，如熔程、比热容、相变热等，而不能直接用于分析金属材料中的元素含量，要确定金属材料中的元素含量，通常需要使用其他分析技术。

2.1熔化温度范围/熔程

熔化温度范围包括固相线和液相线温度两个温度点，指的是固相从开始熔化到完全熔化的温度区间，又称熔程。原理是在程序控制温度下，通过测量试样与空白试样之间的热流差随温度变化的曲线来计算反应的起始温度（固相线）和峰值温度（液相线）。材料纯度越高，熔程越短，反之越长。（注：固相线，即材料的熔点，一般指的是第一个峰的外推起始温度，即基线与熔化峰左侧切线斜率最大点的交点；液相线，对于单峰来说为峰值温度，对于多峰来说为最后一个峰的峰值温度。）

2.2 熔化和结晶焓

单位质量的试样熔化或结晶所吸收或放出的热量属于基本的热力学参数，是评价相变储能材料能力大小的重要指标之一。在程序控制温度下，测试输入到试样与空白试样间的热流差随温度变化的曲线，根据曲线上的熔融和结晶峰面积即可计算得出试样的熔化和结晶焓。

2.3 钛合金相转变温度

根据在加热过程中，钛合金发生α→β同素异构转变时体积的变化，测定绘出其温度恒定后，试样连续升温的线膨胀值一温度曲线，根据曲线斜率的变化即可得到α+β钛合金的相变温度。对于纯钛或α型钛合金来说，相转变峰比较尖锐，这是由于参与反应的α相量较多，所以热效应明显。

2.4 铝合金均匀化温度

铝合金铸锭熔炼后会进行均匀化热处理使组织更加均匀便于后续的挤压成形。均匀化处理的温度一般不宜过高，会产生过烧，过低又达不到热处理的目的，所以热处理温度非常重要，需要通过DSC试验来初步判断。由图6可得，热处理温度可在475℃以下，通过验证试验发现（图7），热处理温度越高，回熔峰的面积逐渐变小，所以最佳的均匀化处理制度为440℃/12h+470℃/24h。

2.5 比热容

用已知比热容的蓝宝石试样作为标样来测试未知试样的比热容。采用ASTM E1269和 DIN 51007方法测试低碳合金钢试样和蓝宝石标样DSC信号随温度的变化曲线，可以看出低碳合金钢试样在737℃（外推起始温度）有一吸热峰，对应的是珠光体向奥氏体的相转变，根据公式得出低碳钢在不同温度下的比热容。

Cps为试样的比热容；Cpst为标样的比热容；Ds为试样扣除基线后的真实信号；Disothermo,s为试样内插的等温基线；mst为标样的质量；Dst为标样扣除基线后的真实信号；Disothermo,st为标样内插的等温基线；ms为试样的质量。

相关标准：

[1] GB/T 19466.1-2004 塑料差示扫描量热法（DSC）第1部分：通则

[2] GB/T 19466.2-2004 塑料差示扫描量热法（DSC）第2部分：玻璃化转变温度的测定

[3] GB/T 19466.3-2004 塑料差示扫描量热法（DSC）第3部分：熔融和结晶温度及热焓的测定

[4] GB/T 19466.4-2016 塑料差示扫描量热法（DSC）第4部分：比热容的测定

[5] GB/T 19466.5-2022 塑料差示扫描量热法（DSC）第5部分：特征反应曲线温度、时间，反应焓和转化率的测定

[6] GB/T 19466.6-2009 塑料差示扫描量热法（DSC）第6部分：氧化诱导时间（等温OIT）和氧化诱导温度（动态OIT）的测定

[7] GB/T 29611-2013 生橡胶玻璃化转变温度的测定差示扫描量热法（DSC）

[8] GB/T 41928-2022 塑料环氧树脂差示扫描量热法（DSC）测定交联环氧树脂交联度

[9] GB/T 1425-2021 贵金属及其合金熔化温度范围的测定热分析试验方法

[10] ASTM E793-2012 用微差扫描量热法测定熔化过程和结晶过程热度的标准试验方法

[11] HB 6623.1-1992 钛合金β转变温度测定方法差热分析法

[12] ASTM E1269-2011 差示扫描量热法测定比热容标准试验方法

[13] DIN 51007-2018 热分析差热分析原理

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