一、实验问答
问
DSC 样品称重建议使用何种精度的天平?
答:DSC常规样品称重在 5mg 左右,一般建议配备精确到 0.01mg(十万分之一)的天平,这样样品称重量误差对热焓精度的影响 < 1%。如日常测试不太注重热焓而主要关注转变温度,则天平配置也可低一些,如0.1mg(万分之一)天平。
问
铝坩埚的加盖与压制有哪些实验技巧?
答:
坩埚盖扎孔压制:常规方法,适用于固体样品(粉末,颗粒,片状,块状...)。
坩埚盖扎孔,不压制:对于一些无污染性、测完后可随意取出的样品,可采用这种方法,加盖而不压制,以便坩埚重复使用。
坩埚敞口(不加盖):适用于需要与吹扫气氛充分接触的实验(如氧化诱导期测试),但由于样品表面与流动气体接触会带走一定的热量,量热精度会稍低一些。
坩埚盖不扎孔,密闭压制:用压机将坩埚牢牢密封住,适用于生物质、潮湿样品等的测试。若测试温度与压力较高,普通铝坩埚承压性不够,可考虑低压铝坩埚(3bar)、或中压(20bar)、高压(100bar)坩埚。
另坩埚盖可选择两种压制方向,一般为正压,对于部分特殊样品(例如松散的多层薄膜或絮状样品)建议反压,减小坩埚内部的空间,使样品内部受压后接触紧密,降低内部温度梯度,提高导热效果与热焓精度。
问
DSC 使用不同升温速率测量同一样品,在快速升温下明明峰形较大,为何峰面积(热焓)与慢速升温下的结果差不多?


答:面积为热流对时间的积分。快速升温的峰形在温度坐标下虽较宽、在时间坐标下却较窄。
问
使用液氮进行冷却的降温测试,如何使温度曲线尽快达到线性?
答:在降温段之前设置一个恒温段(一般5~10min左右),将LN打开,初始流量不需很大,让仪器在降温之前先适应一下LN。然后降温段设置的流量根据情况酌情加大一些,但无需开到最大,仪器会自动根据冷却需要调节液氮流量。这样就能使冷却温度线较快的达到线性。
问
对于快速冷却类的测试(如T1→100K/min→T2→恒温)有些什么建议?
答:建议在降温段前加10min左右的恒温段,在恒温段中将液氮流量调至最大(手动100%),降温段与其后的T2恒温段液氮流量可设为自动100%。全程可考虑不使用STC。
问
如何测试一些较微弱的、在常规条件下不易测出的玻璃化转变?
答:按照一般的热分析规律,可考虑加大样品量与使用较快一些的升温速率。对于半结晶性的高分子材料,可以先升过熔点使样品充分熔融,随后淬冷至玻璃化温度以下,再次升温时玻璃化转变较为明显。
问
高分子材料在哪些情况下适合进行两次升温测试?
答:取决于您希望看到什么样的结果
关注样品原始的信息:一次升温
消除热历史或力学历史:二次升温
各样品在相同的起点上进行本身性能的比较:二次升温
热固性材料:第一次和第二次升温都很重要
要注意选择合适的降温条件(对二次升温结果有影响)
第一次升温:
得到迭加了热历史(冷却结晶、应力、固化等)与其他因素(水分、添加剂等)的原始材料的性质
玻璃化转变在转变区域往往伴随有应力松弛峰
热固性树脂若未完全固化,第一次升温 Tg 较低,伴有不可逆的固化放热峰
部分结晶材料:计算室温下的原始结晶度
冷却过程:线性冷却/等温结晶/淬冷
单个样品:使用不同的冷却方式,研究冷却条件对结晶度、玻璃 化转变温度、熔融过程等的影响
横向样品:使用相同的冷却条件(使样品拥有相同的热历史);比较材料在同等热历史条件下的性能差异
第二次升温:
玻璃化转变:消除了应力松弛峰,曲线形状典型而规整
热固性树脂:经过第一次升温的后固化后,玻璃化温度一般会提高。
部分结晶材料:经过特定冷却条件(结晶历史)研究结晶度、晶体熔程/熔融热焓与结晶历史关系。
易吸水样品:消除了水分的干扰,得到样品的真实转变曲线
横向样品比较,消除了热历史的影响,有利于比较样品的性能差异

玻璃化转变的二次升温 - 消除松弛峰

第一次升温测得的玻璃化温度较低,其后有较大的固化放热峰,表明材料固化度较低。
第二次升温由于固化度的提高测得的玻璃化温度变高,后固化峰不再出现。
PET 不同冷却速率下的二次升温测试比较:

熔融后的PET样品经过不同速率冷却至室温后,重新加热进行DSC测量,得到上图结果。可见PET样品的结晶度受冷却速度影响。
问
食品、生物质一类的样品一般如何测试?
答:这类样品往往本身热效应较弱,而由于含有一定水分,使用常规条件(坩埚扎孔)的话水挥发的吸热峰较大,会掩盖微弱的热效应。因此通常建议铝坩埚密闭(更好的选择是使用专用的低压铝坩埚)测试,抑制水的挥发,以测量微弱的热效应。
问
对于高分子材料(塑料,橡胶,薄膜...),如何区分原始料和回收料?
答:利用回收料在使用与回收过程中发生了一定程度的老化,以致结晶性能、抗氧性能与力学性能发生了一定程度的改变。可尝试:
DSC 氧化稳定性比较(回收料往往较易氧化)
DSC 冷却结晶比较(回收料往往较易结晶)
DMA 力学性能比较(回收料往往模量较低,阻尼峰较大)
二、DSC 异常曲线诊断

(1)原因:
1:样品在坩埚内移动
2:由于样品的蒸气压导致密封坩埚变形
3-4:坩埚与传感器之间的热接触发生突然的变化(如外来机械振动影响等)
5:冷空气的干扰
6-7:电子信号的干扰(电压释放,高频干扰...)
8:环境温度的突然改变(如强烈的日照)
9:密闭坩埚发生开裂
10:坩埚孔受样品分解物或液滴影响出气不畅,时堵时通
11:传感器上的污染物所造成的影响
(2)对各种异常现象的进一步原因解释:
样品在坩埚移动(薄膜受热舒卷,金属熔融成球状液滴等)
密闭铝坩埚受热后由内压导致底部鼓胀变形,以至与传感器面的接触状况发生改变
密闭坩埚在较高温度下爆裂
坩埚在传感器上位置发生移动(例如由于吹扫气流量过大所致)
外界震动的影响
电源干扰
环境温度的突然改变,例如受到强烈的阳光照射...
(3)建议:对于可疑的测试结果进行复测,以验证是真实热效应,还是一些干扰因素所致。

由于炉腔内潮湿结霜并在0℃附近融化,导致曲线出现异常现象。

坩埚底部不平,与传感器之间接触不稳,导致曲线异常。

在快速升温速率下使用STC,导致升温起始段出现较大波动。

密闭铝坩埚和中压坩埚由于承压能力不够,200℃前后发生爆裂,导致曲线异常。

由于采样速率不够,导致峰尖形状不规则。

STA 低温炉:建议使用导热性较好的 He 作为吹扫气氛。
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