聚合物的热谱分析—差示扫描量热法 - 图文

《 — 高分子物理—》

实 验 指 导 书

××× 编 写

适用专业：

年 月

厦门理工学院_____院（系）

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实验指导书前言内容要求

前 言

本课程的基本内容介绍，通过学习学生需要掌握的基本知识。 为了使学生更好地理解和深刻地把握这些知识，并在此基础上，训练和培养哪些方面的技能，设置的具体实验项目，其中哪几项实验为综合性、设计性实验。

各项实验主要了解、掌握的具体知识，训练及培养的技能。 本指导书的特点。 对不同专业选修情况说明。

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具体项目指导书格式与基本内容要求

实验__：聚合物的热谱分析—差示扫描量热法

实验学时：

实验类型：（演示、验证、综合、设计研究） 实验要求：（必修、选修） 一、实验目的

1.了解差示扫描量热法的原理，通过差示扫描量仪测定聚合物的加热及冷却谱图。 2.掌握应用DSC 测定聚合物的Tg、Tc、Tm、?H及结晶度的方法。 二、实验内容

差示扫描量热法（differential scanning calorimetry,DSC），一种热分析法。在程序控制温度下，测量输入到试样和参比物的功率差（如以热的形式）与温度的关系。差示扫描量热仪记录到的曲线称DSC曲线，它以样品吸热或放热的速率，即热流率dH/dt（单位毫焦/秒）为纵坐标，以温度T或时间t为横坐标，可以测定多种热力学和动力学参数，例如比热容、反应热、转变热、相图、反应速率、结晶速率、高聚物结晶度、样品纯度等。本实验通过DSC对材料进行热分析，得到先关的热性能参数，进而分析材料的热行为如结晶与熔融等。 三、实验原理、方法和手段

聚合物在发生力学状态变化时，伴随比热容及热焓的变化，这些变化都可以在DSC热谱曲线得到反映，因而DSC 用于研究聚合物的玻璃化转变、相转变、结晶温度、可以研究聚合、固化、交联、氧化、分解等反应以及测定反应温度和反应热。通过对高聚物分子热运动规律的理解，了解高聚物的力学状态及其转变温度以及影响因素，有助于掌提高聚物结构与性能的内在联系，对合理选用材料、确定加工工艺条件和设计材料等都十分重要。

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图1 功率补偿型DSC加热炉

根据测量仪器的不同，DSC分为两种类型:功率补偿型和热流型。功率补偿型DSC检测程序升降温过程中为保持样品和比物温着为零所需补偿的功率W随温度或时间的变化。它的主要特点是试样和参比物分别具有独立的加热器和传感器，其结构如图1所示，整个仪器由两个控制电路进行监控，其中一个控制温度，使样品和参比物在预定的温或降温;另一个用于补偿样品和多比物之间的温差，这个温差是由样品的吸热热效应产生的。通过功率补偿电路使样品和参比物的温度保持相同，这样就可以从补偿功率直接求算出热流率，即

△W=dQs/dt-dQR/dt=dH/dt

式中，△W为补偿的功率;Qs为样品的热量;QR为参比物的热量:dH/dt为单时间焓变，即热流率，mJ/s。

热流型DSC的原理与DTA类似，是在给予样品和参比物相同的功率下，测定样品参比物两端的温差DAT.然后根据热流方程，精确地将AT换算成热流信号输出。热流DSC的加热炉结构如图2所示。

图2 热流型DSC加热炉

高聚物的DSC曲线如图3所示。DSC图谱的纵坐标表示样品放热或吸热的速率，当温度达到玻璃化温度Tg时，试样的热容增大，需要吸收更多的热量，使基线发生位移，假如试样具有结晶性，并且处于过冷的非晶状态，那么在Tg以上可以进行结晶，同时放出大量的结晶热而产生一个放热峰，进一步升温，结晶熔融吸热，出现放热峰，再进一步升温，试样可能发生氧化，交联反应而放热，出现放热峰，最后试样则发热分解、吸热，出现吸热峰。当然，不是所有的聚合物都存在上述全部物理变化和化学变化。

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图3 DSC曲线

四、实验组织运行要求

根据本实验的特点、要求和具体条件，采用“采用集中授课形式”。 五、实验条件

仪器：DSC Q20差动热分析仪。

样品：聚乙烯、聚丙烯、非晶态聚对苯二甲酸乙二醇酯及PS等。参比物为α-A12O3或空盘。 六、实验步骤

1.准确称取3～5mg待测聚合物(若测定聚合物的Tg，则称取10 mg左右)。再称取相当质量的α-A12O3为参此物。用压样机将试样及参比物在铝盘中装好压实。 2.开机步骤

①按照仪器说明书的要求对仪器进行检查，确定仪器的基线、温度和热量已校正仪器处于正常状态。

②首先打开氮气气瓶，将输出压力调到0.1～0.14 MPa.

③依次打开DSCQ20主机、RCS的电源，等待仪器面板前的绿色指示灯亮。 ④开启计算机。 3.软件的启动和使用

①双击桌面上“TA Instrument Explorer”图标。

②双击显示界面中的“Q20-1176”图标，进入测试参数输入界面。

③单击“Control”菜单下的“Event On”将压缩机打开，然后单击“Go To Standby Temp”(本机的设定值为40℃)。

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④在“Summary”界面，将“Mode”设置为“Standard”，将“Test”设置为“Custom”。在“Sample information”栏中输入样品名称，选择所用样品盘类型为“Aluminum”,输入样品质量，并设定样品的存盘路径和文件名。

⑤单击“Procedure”图标，将“Test”设置为“Custom”,单击Method栏右边的“Editor”进行实验方法的编辑，在方法程序段栏双击所需的程序段，即可进入程序框编辑程序.点OK确认。通常升温速率范围为5～20℃/min。研究聚合物结晶性能时，为消除热历史的影响通常升温到比熔融峰终止温度高约30℃的温度使聚合物熔融，在该温度保持一定时间后工程序降温冷却到比出现转变峰至少低约50℃，然后，测定聚合物的熔融温度和结晶温度。

⑥在Notes界面，选择所需的测试气氛。“#1-Nitrogen”，调节气体流量50mL/min. 4.将称好的样品和参比分别放入炉中样品台和参比台上，将所有盖子盖好。待“Signal”窗口的“Flange Temperature”降至-40℃以下“单击”运行。图标开始实验。测试开始后，测试结果将一次次保存到设定的存储文件中。测定完成后，仪器回到设定值温度待机。

5.更换样品，重复以上测试操作。放置样品前，必须等待“Signal”窗口的。“temperature”回到设定值40℃。

6.关机前，先按“Event off”，然后必须等待Signal窗口的“Flange Temperature”可到室温后，再单击“Control”菜单的“shutdown instrument”执行关机。 七、思考题

1、DSC测试过程中，应尽量防止样品室被污染，如何才能避免污染？ 2、影响DSC实验结果的因素有哪些？ 八、实验报告

要求在指导书中明确学生实验报告的内容及具体要求，主要包括实验预习、实验记录和实验报告三部分。

实验报告的数据处理部分要包括从数据曲线中得到各种温度参数，以及利用仪器软件计算出结晶焓和熔融焓，计算出结晶度。 九、其它说明

非老师允许不得私自操作设备。

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本文来源：https://www.bwwdw.com/article/yi9f.html