差分扫描热量测定

顾名思义，差分扫描焦散依赖于感兴趣样品与具有已知热特性的参考样本之间的热流差。事实上，用热计精确测量热量是非常困难的。由于样品被放置在一个盘内，也吸收热量，并且测量通常发生在较大的熔炉内，因此测量变得更加复杂。更精确的测量将涉及监测样品的温度，并计算必须存在的热流才能产生温度变化。

因此，DSC 涉及同时或连续测量样品和参考的温度。为了准确测量样品中的热量，同时考虑对平移和周围环境的热贡献和损失，样品和参考的测量应在完全相同的环境和热条件下进行。盘的准备也应在参考和样品之间保持一致。其中包括压接以密封平底锅和在盖子上戳一个洞，以便与炉中的惰性大气进行平衡，并避免在样品发生相位变化时在平底锅中加压。

图 1 显示了 DSC 样品设置和热电池的示意图。对于每次扫描，DSC 包含一个空参考平移和一个样品盘。DSC 读取将参考盘和样品盘保持在设定温度所需的功率差（在用户测量之前定义）。当样品吸收热量（在热电反应中）时，样品盘需要更多的热量加热，当样品发出热量时（在热电反应中），需要更大的电能来冷却。

图1:DSC样品设置和热电池原理图。

空盘放置在所有 DSC 测量的参考位置。对于所有热表征技术，首先在样品位置的炉内空锅进行基线测量。此测量考虑大气变化，并自动从以下样本测量中减去。对于结晶度测量，将精确测量的样品材料量放入单独的平底锅中（放置在炉子中的样品位置），并使用与基线相同的测量程序运行。使用从样品测量中获得的值计算结晶度百分比。使用的公式是:

百分比结晶度= （公式 1）

典型的 DSC 结果曲线如图 2 所示。熔融（μHm）的热量是通过在热敏峰下（在测量的加热阶段存在）获得，冷结晶（μHc）的热量通过采取热电热峰值下的区域（在冷却过程中存在）获得测量阶段）;附带的软件用于从样本测量中计算这些值。样品（[Hm]）100%结晶形式的熔融的已知热量是一种材料特性，还必须知道，以计算聚合物的结晶度。

图 2:DSC 结果曲线的原理图。热热和热热峰被标记。

执行热容量测量时，将添加一个额外的步骤:在运行样品测量之前，使用精确测量的标准材料量执行与基线相同的测量。标准材料应为具有良好特性的热容量的化合物，如蓝宝石。然后，使用与基线和标准相同的测量程序运行样品材料。样品中的热容量和热流也由用户在随附的软件中计算。减去基线测量值，并使用标准材料的热容量从温度流向热流。

图 3显示了对聚丁二烯对苯二甲酸酯 （PBT） 聚合物样品进行 DSC% 结晶度样本扫描的结果。结果显示为 DSC 功率读数（以千瓦/毫克样本为单位）的节时间。电源读数（图 3中的蓝色轨迹）指示与空参考盘相比，需要多少额外功率来更改样品盘的温度。温度程序也显示为图3中的虚线红线。蓝色轨迹中的第一个峰值是热内分峰;其面积为聚合物样品的熔融热提供了一个值。第二个峰值是一个外源峰值，其面积为聚合物样品结晶的热量提供了值。

图 4显示了 PBT 扫描的热热峰值和热敏峰值的缩放视图（图 3）。显示每个峰值的面积（使用 Proteus 分析软件计算）。根据这些计算值，使用公式 1 计算此 PBT 聚合物样品的结晶度百分比，报告值为 142 J/g，为 μHm*:

百分比结晶度 = 78.6% 结晶 

图3:DSC读数与聚丁烯对苯二甲酸酯聚合物样品的时间，使用DSC 3500运行。使用的温度程序也显示为红色虚线曲线。

图4:PBT聚合物DSC扫描的内热峰值（A）和泄热峰（B）的放大视图。计算每个曲线下的面积;分别对应PBT聚合物样品的熔融热和冷结晶热。

差分扫描焦散法是一种用于确定材料许多热特性的技术，如熔融热、结晶热、热容量和相变。DSC 测量还可用于计算其他材料特性，包括玻璃过渡温度和聚合物结晶度百分比。DSC 需要的样品非常小，这些样品必须符合机器中使用的平底锅的大小和形状，并且基于空参考和样品之间的差分热比较。如果已知被测聚合物的 100% 结晶形式熔化的热量，则聚合物百分比结晶率计算相对简单。其他可以确定结晶度百分比的表征方法包括密度测量，还需要 100% 结晶和 100% 无定形的聚合物，以及 X 射线衍射，这需要可彻底混合的样品与标准材料，如硅。

结晶度百分比是一个重要参数，可显著促进每天使用的聚合物材料的许多特性。结晶度百分比对聚合物的脆性（高结晶度）或柔软性和延展性（低结晶度）起一定的作用。 聚乙烯是使用最广泛的聚合物材料之一，是结晶度对材料性能重要性的一个很好的例子。HDPE（高密度聚乙烯）是一种更结晶的形式，因此是一种更硬、更脆的塑料，用于垃圾箱和切割板，而LDPE（低密度聚乙烯）具有较低的结晶度，因此是一次性塑料中使用的延展性塑料购物袋。聚合物结晶度也会影响透明度和颜色;结晶度较高的聚合物更难着色，而且往往更不透明。从织物中使用的聚合物到防弹背心中使用的聚合物，结晶度百分比在我们如何每天创建和使用不同塑料和不同形式的相同塑料方面起着重要作用。其他聚合物特性，可以影响这些特性，并可促成结晶值百分比，包括以前的热处理和交联程度。