实验技能丨TG-DSC原理与测试入门经典问答

请讲一讲DSC基本原理与经典应用？

在程序温度（升／降／恒温及其组合）过程中，测量样品与参考物之间的热流差，以表征所有与热效应有关的物理变化和化学变化。

典型应用：

DSC与DTA是什么关系？

DSC的前身是差热分析DTA，我简单介绍下工作原理的区别

DTA呢，只能测试△T信号，无法建立△H与△T之间的联系

而DSC测试△T信号，并建立△H与△T之间的联系

DSC测试需要注意哪些条件？

主要有如下几点：升温速率、样品用量、制样方式、实验气氛、坩埚的选取、样品温度控制（STC）、DSC基线。

升温速率有哪些影响，有没有标准的升温速率？

热分析领域常用而标准的升温速率是10K/min

利用多个不同升温速率下得到的一系列测试结果，可进行动力学分析

在存在竞争反应路径的情况下，不同的升温速率得到的终产物组成可能不同

一般DSC测试需要多少样品，样品量对DSC测试有哪些影响呢？

并不是说样品量多或者少就一定好，这个与目标分析结果有关

• 一般情况下，以较小的样品量为宜。热分析常用的样品量为5～15mg。

• 在样品存在不均匀性的情况下，可能需要使用较大的样品量才具有代表性。

在DSC测试表征过程中，如何同时选择合适的升温速率和样品量呢？

（1）提高对微弱的热效应的检测灵敏度：提高升温速率，加大样品量；

（2）提高微量成份的热失重检测灵敏度：加大样品量；

（3）提高相邻峰（失重平台）的分离度：慢速升温速率，小的样品量。

对于不同条件的DSC样品，如何选择合适的制样方式？

（1）块状样品：建议切成薄片或碎粒；

（2）粉末样品：使其在坩埚底部铺平成一薄层；

（3）堆积方式：一般建议堆积紧密，有利于样品内部的热传导；对于有大量气体产物生成的反应，可适当疏松堆积。

DSC测试的气氛分哪些类，有何应用区别？

气氛主要是动态气氛、静态气氛和真空3类，可以从以下三点来分别

（1）从保护天平室与传感器、防止分解物污染的角度，一般推荐使用动态吹扫气氛；

（2）对于高分子TG测试，在某些场合使用真空气氛，能够降低小分子添加剂的沸点，达到分离失重台阶的目的；

（3）若需使用真空或静态气氛，须保证反应过程中的释出气体无危害性。

在不同的气氛条件下，结果有时候也是不同的，我们举个“NR/SBR 橡胶中增塑剂的分解”的例子：

将 NR/SBR 共混橡胶材料，在 N₂ 气氛下按照标准的 TG 方法进行分析，增塑剂的失重量为 9.87%。（增塑剂失重与橡胶分解台阶有较大重叠）

将该样品在真空下进行测试，由于增塑剂沸点的降低，挥发温度与橡胶分解温度拉开距离，得到了更准确的增塑剂质量百分比：13.10%。

DSC测试的常用气氛和特殊气氛有哪些？

常用气氛：

N₂: 常用惰性气氛

Ar: 惰性气氛，多用于金属材料的高温测试。

He: 惰性气氛，因其导热性好，有时用于低温下的测试

Air: 氧化性气氛，可作反应气氛

O₂: 强氧化性气氛，一般用作反应气氛

特殊气氛（如H₂、CO、HCl 等）：

考虑气氛在测试所达到的最高温度下是否会与热电偶、坩埚等发生反应，注意防止爆炸和中毒。

通过改变测试气氛（如真空-氮气-空气），有助于深入剖析材料成分。

DSC都有哪些坩埚，他们有什么区别？

为了适应千变万化的各种样品，避免样品与坩埚材料之间的不相兼容，设备供应商配备了多种不同材质不同特点的坩埚，其中几种坩埚图示如下：

常用坩埚：Al, Al₂O₃, PtRh

其它坩埚：PtRh+Al₂O₃,   Steel, Cu, Graphite, ZrO₂, Ag, Au, Quartz 等

压力坩埚：中压坩埚，高压坩埚

DSC测试中坩埚加盖与否如何选择？

首先要知道坩埚加盖的优缺点以及坩埚盖扎孔的目的

（1）物理效应测试（熔融、结晶、相变等DSC测试），通常选择加盖坩埚；

（2）未知样品，出于安全性考虑，通常选择加盖坩埚；

（3）气固反应（如氧化诱导期测试或吸附反应），使用不加盖敞口坩埚；

（4）液相反应，易挥发样品，使用加盖压制Al 坩埚、中压或高压坩埚；

（5）有气体生成的反应（包括多数分解反应 ）或偏重于 TG 的测试，在不污染损害样品支架的前提下，根据实验需要，进行加盖与否的选择。

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？ 

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，咱们三步走：

（1）先升过熔点使样品充分熔融；

（2）随后淬冷至玻璃化温度以下；

（3） 再次升温时玻璃化转变较为明显.

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？

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。

铝坩埚的加盖与压制有哪些实验技巧？

（1）坩埚盖子扎孔密闭：这是常规的坩埚使用方法，它适用于固体测试，样品可以粉末，颗粒，片状，块状等等。

（2）坩埚盖子扎孔，不密闭：这种方法是一种比较经济的方法，对于节省坩埚损耗很有帮助。有些样品做完试验后可以取出来且不污染坩埚，我们可以采取这种方法，不用压机将坩埚盖子和平盘压死，这样坩埚就可以重复使用了。

（3）敞口坩埚：即不加坩埚盖子，它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。

（4）坩埚密闭：坩埚盖子不扎孔，用压机将坩埚牢牢密封住，它适用于常规的液体测试。对于一些需要完全密闭，能承受更高压力的测试，耐驰还提供专门的中压、高压坩埚。

DSC在操作过程中有哪些要特别注意的地方？

（1）仪器可一直处于开机状态，尽量避免频繁开机关机

（2）仪器应至少提前1小时开机

（3）尽量避免在仪器极限温度附近进行恒温操作

（4）试验完成后，必须等炉温降到200°C以下后才能打开炉体

（5）测试样品及其分解物不能对传感器、热电偶造成污染

具体措施：实验前应对样品的组成有大致了解，如有危害性气体产生，实验要加大吹扫气的用量

（6）测试样品及其分解物绝对不能与测量坩锅发生反应，具体为：

铝坩锅测试，测试终止温度不能超过600°C；

绝对避免使用铂坩锅进行测试金属样品；

金属样品的测试需查蒸气压～温度表格。

炉体如果已发生污染，该如何处理？

（1）使用棉花棒蘸上酒精轻轻擦洗；

（2）使用大流量惰性吹扫气氛空烧至600℃；

（3）在日常使用温度范围内进行基线的验证测试，若基线正常无峰，传感器一般仍可继续使用；

（4）使用标样In与Zn进行温度与灵敏度的验证测试，若温度与热焓较理论值发生了较大偏差，需要重新进行校正。

在哪里可以获得高质量的DSC测试表征？

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