热热热热热热热热热热 Differential Scanning Calorimeter Chunyong Tian 17 th Jan. 2013
Jan 01, 2016
热流型差示扫描量热仪Differential Scanning Calorimeter
Chunyong Tian
17th Jan. 2013
主要内容• 一:聚合物分子运动特点• 二:聚合物聚集态结构• 三:结晶聚合物的熔融与熔点• 四: DSC 的应用• 五: DSC 操作流程• 六: DSC 数据分析处理• 七: DSC 使用中常见问题
1、聚合物分子运动单元多重性
小尺寸运动单元以微布朗运动方式运动 ,它们包括 链节侧基 支链 链段大尺寸运动单元以布朗运动方式运动,主要包括:整个分子结晶和熔化
一: 聚合物分子运动特点
●
●
●
●
●
●
●
●
x (t)
x0
e
t
x0
0
弹簧
高分子
x(t)=x e-t/0
2、分子运动的时间依赖性
松弛时间谱:运动单元大小不同
松弛时间不同
松弛时间分布很宽,在一定范围内可以认为是一个连续分布松弛时间谱
非晶态高聚物的温度形变曲线热机械曲线
非晶态高聚物的力学状态
玻璃化转变
形变
温度
玻璃态 高弹态 粘流态
Tg Tf
黏流转变
T1
F1
T2
F1
3、分子运动的温度依赖性重点
玻璃化转变现象
Tg 时,许多物理性能发生了急剧的变化: 形变
温度Tg Tf
比热
扩散系数
温度Tg
NMR线宽
折光率
比容 比热体膨胀系数磁性能力学性能折光指数扩散系数
玻璃化转变测定
Tg 时,许多物理性能发生了急剧的变化:
DSC、 DMA、膨胀计、热机械曲线、核磁共振
常用测定方法:
a)分子量影响
Mn
T g (℃)
1/MnT g
Tg =Tg(∞)- K/ Mn
Tg(∞)
影响高聚物玻璃化转变温度的因素
交联度 Tg
c)共聚与共混( 1)无规共聚的 Tg 一般介于两种均聚物之间,一个Tg
T g (℃) 100
150
50
0
- 50- 100
X 苯乙烯
丙烯酸丙烯酰胺酸
丙烯酸叔丁酯
丁二烯
Tg=XATgA+XBTgB
1/Tg=WA/ TgA +WB/ TgB
b)交联的影响
共聚对 Tg 影响特例
110
115
105
100
95
90
MMA %
P(苯乙烯 /甲基丙烯酸甲酯 ) P(偏二氯乙烯 /甲基丙烯酸 )
10
0
20
30
40
50
MAA %
20 40 60 80 100 20 40 60 80 100
性质相差较大 极性基团或氢键作用
( 2) 交替共聚,存在一个Tg( 3) 嵌段、接枝共聚: a,不相容:二个 Tg,各自接近均聚物 b,部分相容:二个 Tg,内移,彼此靠拢 c,相容:存在一个 Tg
吸热endo
放热exo
Tg A
Tg B
c
b
a
空穴 折叠链晶区
非晶区
伸直链
链末端
隧道-折叠链模型
二:高聚物聚集态结构
结晶速度-温度曲线分区
Tg Tm
IIIIIIIV
结晶速度
温度Tmax
结晶温度范围: Tg<T<Tm, Tmax=0.85Tm
Tmax=0.63Tm + 0.37Tg- 18.5
成核过程控制结晶速率
晶粒生长过程控制
• Bragg衍射方程
晶面间距
( 1) X 射线衍射
结晶度的测定
( 2)差示扫描量热法( DSC)
三:结晶高聚物的熔融与熔点
熔融终点 Tm
1 结晶温度对 Tm的影响
影响 熔融温度 Tm 的因素
结晶温度越高, Tm 越高,熔限越窄
聚乙烯晶片厚度与熔点数据厚度( nm
)
28.2 29.2 30.9 32.3 33.9
Tm( )℃ 131.5 131.9 132.2 132.7 134.1
34.5 35.1 36.5 39.8 44.3 48.3
133.7 134.4 134.3 135.5 136.5 136.7
厚度( nm
)Tm( )℃
2 晶片厚度与 Tm的关系 随着晶片厚度的增加, Tm上升
3 拉伸对 Tm的影响
4 分子链结构 Tm的影响
引入极性基团,引入氢键等提高分子间作用力,而提高 ΔH
分子间力
拉伸提高结晶度,压力提高晶片厚度。熔点升高
天然橡胶在常温下不加压力,几十年才结晶,在常温下加应力 并拉伸时,几秒钟便结晶
Tm=ΔH/ΔS
ΔH
增加链的刚性提高 Tm
主链上引入苯环或共轭双键或氢键
侧链引入庞大而刚性的侧基,用定向方法使侧基规则排列后结晶。
ΔS
5 共聚物的Tm
无规共聚物:P≡XA,
嵌段共聚物: P>>XA,使 Tm略小于 Tm
0
交替共聚物: P<<XA, Tm急剧下降
结晶单元摩尔分数
P 为结晶结构单元相继增长的几率 Tm与共聚序列有关,与组成无直接关系
低分子稀释剂指增塑剂、单体及其它可溶性添加剂。如果用 φ1表示低分子稀释剂的体积分数,则
6 杂质对高聚物 Tm的影响低分子稀释剂
如果把链端当作杂质处理,则
其中 Pn是高聚物的数均聚合度。
例如聚丙烯分子量M=30000时, Tm=170℃;M=2000时, Tm=114℃;M=900时, Tm=90℃
重复单元摩尔体积
四: DSC的应用
左参比,右样品保证坩埚的一致性
小心制样,节约坩埚
曲线
玻璃化转变
结晶
基线
放热行为(固化,氧化,反应,交联)
熔融
固固一级转变
分解气化
吸热
放热
dH/d
t(m
W)
Tg Tc Tm Td
DSC
4.1 玻璃化转变温度的确定
dQ
/dt
dQ
/dt
温度 温度TgTg
1/2
从 DSC曲线上确定 Tg的方法
- 样品用量 10~15 mg
- 以 20C/min加热至发生热焓松弛以上的温度
- 以最快速率将温度降到预估 Tg以下 50C
- 再以 20C/min加热测定 Tg
- 对比测定前后样品重量,如发现有失重则重复以上过程
Tg测定的推荐程序
4.2 结晶与熔融的研究
表征结晶的两个参数:Tc:放热峰峰值
Hc:放热峰面积
表征熔融的三个参数:Tm: 吸热峰峰值
Hf:吸热峰面积
Te:熔融完全温度
exo1.0
0.8
0.6
0.4
0.2
0.0
100 150 200 250 300 350Temperature C
Tm
Hf
TeTc
Hc
4.3 化学反应的研究
反应热 (276J/g)可用于判断固化程度
Glass transitionOnset: -12.9 CMidpt: -6.9 CInflpt: -6.6 CEndpt: -0.9 CDel cp: 0.60 J/(g•K)
exoDSC/mW/mg0.4
0.2
0.0
-0.2
-0.4
-0.6
189.9C
onset113.8 C
-276.2 J/g C %150.0 56242.5 100
0 50 100 150 200 250
Temperature C
130.7 C 5K/min
酚醛树脂固化
P(S-PFS): 苯乙烯 -对氟苯乙烯的共聚物
PPO: 聚苯醚
PFS的摩尔含量为 8-56%时,体系相容。高于 56%后,发生相分离。
P(S-PFS)和 PPO共聚混合物的 DSC曲线
PFS摩尔含量8%16%25%36%46%49%56%67%78%
热流量
107 227T(C)
4.4 相容性研究
4.5 结晶度的测定 高分子材料的许多重要物理性能是与其结晶度密切相关的。所以百分结晶度成为高聚物的特征参数之一。由于结晶度与熔融热焓值成正比,因此可利用 DSC测定高聚物的百分结晶度,先根据高聚物的 DSC 熔融峰面积计算熔融热焓ΔHf,再按下式求出百分结晶度。
ΔHf*: 100%结晶度的熔融热焓
ΔHf*的测定
用一组已知结晶度的样品作出结晶度 ΔHf图,然后外推求出 100%结晶度 ΔHf*.
工作量大标准曲线
4.6 热分析中的联用技术单一的热分析技术,如 TG、 DTA或 DSC等,难以明确表征和解释物质的受热行为。
如: TG只能反映物质受热过程中质量的变化,而其它性质,如热学等性质 就无法得知有无变化和变化的情况。
TG-DSC联用应用广泛,可以在程序控温下,同时得到物质在质量与焓值两方面的变化情况。
五: DSC操作流程• 1. 开机 打开计算机与 DSC200F3,一般开机半小时后可以进行样品测试。
• 2. 气体与液氮• 确认测量所使用的吹扫气情况。(对于 DSC 通常使用N2 作为保护气与吹扫气。如果需要进行材料抗氧化性测试,需要配备O2 或空气)
• 如果需要在低温下进行测试,确认液氮是否充足,是否需要充灌。
• 3. 制备样品• 先将空坩埚放在天平上称重,去皮(清零),随后将样品加入坩埚中,称取样品重量。重量值建议精确到 0.01mg。
• 加上坩埚盖(坩埚盖上通常扎一小孔),如果使用的是 Al 坩埚,需要放到压机上压一下,将坩埚与坩埚盖压在一起。
• 4. 将样品坩埚放在仪器中的样品位(右侧),同时在参比位(左侧)放一空坩埚作为参比。
• 5. 新建测量• 6. 选择温度校正文件• 7. 选择灵敏度校正文件• 8. 设定温度程序• 9. 设定测量文件名• 10. 初始化工作条件与开始测量• 11. 数据分析(略)
六:数据分析与处理• 1. 打开数据文件• 2. 选择显示的温度段
• 3. 切换时间/温度坐标
• 4. 平滑• 5. 曲线标注
• 6. 调整显示范围• 7. 插入文字• 8. 保存分析文件• 9. 打印• 10. 导出为图元文件• 11. 导出数据
七: DSC使用中常见问题• 1. DSC 可以做到 700 度,为什么不能做高温分解?
答: DSC 不是不可以做分解,是我们不建议大家拿它做分解测试。对于 DSC 而言,传感器一般是金属合金类的,比较容易受到酸性物质腐蚀,也不能长时间高温氧气下操作。所以DSC 不是不能做分解实验,而是做分解实验是否会污染传感器,有腐蚀性气体挥发肯定是不能做的,即使分解出来的气体没有腐蚀性我们也不建议做。因为一般我们是在 N2 气氛下测试,分解后可能产生大量的碳黑,它很容易附着在传感器面盘以及热电偶上面(表现为传感器被“熏黑”),给仪器的清洗造成麻烦,也影响传感器的灵敏度。
2.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: 1. 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。
• 2. 对于半结晶性的高分子材料,可考虑先升过熔点使样品充分熔融,随后淬冷(可在仪器中进行快速冷却,也可在高温下将样品坩埚取出置入液氮中进行淬冷)至玻璃化温度以下,通过这种方式降低样品的结晶度,以使再次升温时玻璃化转变较为明显。
3.二次升温的优势是什么
• 答 1第一次升温不但跟材料本征特性有关,还有热历史(冷却结晶历史,固化历史等)和力历史(应力松弛)的影响,而 第二次升温只反映的是材料本征特性,所以二次升温更能反映材料的性质。
• 2对于易吸水材料,消除水及溶剂的影响。• 3刚加入的样品和坩埚接触不好,导致信号不能真实反馈样品信息。当样品熔化后就可以和坩埚有一个较好的接触,信号真实迅速反应样品信息。
高分子材料格式化
4.DSC测试对给样人有什么要求?
• 1了解样品的性质能够给出大概的玻璃化转变温度、结晶温度、融融温度、分解温度等。也即能大致绘出 DSC曲线。
• 2样品不能跟坩埚发生化学反应。• 3样品尺寸尽量要小,方便装样。方便充分接触。
• 4消除溶剂水分等影响。• 5最好不带有静电,带有静电提高了装样难度。
Thank you
Chunyong Tian
17th Jan. 2013