差示扫描量热仪（DSC）试验原理与操作详解

　　一、差示扫描量热仪（DSC）试验原理
 

　　DSC基于能量守恒定律，通过测量样品与参比物在程序控温过程中的热流差异，揭示物质受热或冷却时的物理化学变化。其核心原理可分为以下两部分：
 

　　热流差异检测
 

　　样品与参比物被置于独立坩埚中，在程序控温(匀速升温/降温/恒温)和恒定气氛(如氮气)下，通过高精度传感器实时监测两者之间的热流差或功率差。
 

　　当样品发生熔融、结晶、玻璃化转变或化学反应时，会伴随热量吸收(吸热峰，曲线向下)或释放(放热峰，曲线向上)，导致样品与参比物之间产生瞬时温差。DSC通过补偿功率差消除这一温差，使两者温度始终相等，从而定量测量热效应。
 

　　功率补偿机制
 

　　功率补偿型DSC：通过动态调整加热功率维持样品与参比物温度差为零。当样品吸热或放热时，系统自动补偿功率差，确保温度平衡，补偿热量直接反映样品热效应。
 

　　热流型DSC：通过测量样品与参比物之间的热流差异检测热效应。两者共用加热源，热流通过隔热屏障传递，温差变化经转换后得到热焓值(ΔH)。
 

　　DSC曲线解析
 

　　横轴：温度(或时间)；纵轴：热流率(mW/mg)。
 

　　关键特征：
 

　　吸热峰(如熔融)：曲线向下，峰温对应熔点(Tm)。
 

　　放热峰(如结晶)：曲线向上，峰温对应结晶温度(Tc)。
 

　　玻璃化转变(Tg)：基线偏移，台阶中点温度反映非晶态聚合物柔韧性。
 

　　氧化诱导期(OIT)：聚烯烃在高温氧气条件下的自动催化氧化反应时间，通过放热峰起始点测定。
 

　　二、DSC操作全流程
 

　　1. 实验前准备
 

　　仪器检查：
 

　　确认温度控制精度(±0.1°C)、气体流速稳定性(如氮气50 mL/min)、基线波动范围(<±50 μW)。
 

　　检查炉体清洁度，使用玻璃刷或气体吹扫去除残留样品。
 

　　样品制备：
 

　　形态要求：粉末(3-5 mg)、块状(直径≤3 mm，高度≤2 mm)、薄膜(小尺寸优先)。
 

　　干燥处理：高分子材料或药物需在干燥器或氮气气氛中干燥，避免吸湿影响结果。
 

　　装样技巧：将样品均匀铺于坩埚底部，避免接触侧壁；粘稠或液体样品使用密封坩埚(测试温度低于沸点)或高压坩埚(高于沸点)。
 

　　参比物选择：惰性材料(如氧化铝)或已知热性能物质，用于基线校正和数据对比。
 

　　2. 实验参数设置
 

　　温度程序：
 

　　升温速率：5-20°C/min(典型值10°C/min)。快速升温(如20°C/min)可提高灵敏度但可能牺牲分辨率；慢速升温(如2°C/min)适合分离重叠峰。
 

　　温度范围：根据样品特性设定。例如，聚乙烯测试范围为-150°C至200°C。
 

　　气氛控制：
 

　　气体类型：氮气(惰性保护)、氧气(氧化诱导期测试)、氦气(高导热需求)。
 

　　流速设定：50 mL/min(典型值)，需根据样品反应性调整(如易氧化样品需更高流速)。
 

　　压力条件：常压测试为主，高压DSC可研究超临界流体行为(需专用设备)。
 

　　3. 实验执行与监控
 

　　样品装载：
 

　　将空坩埚置于参比盘，样品坩埚置于样品盘，确保放置稳定。
 

　　关闭炉体，启动氮气阀(输出压力0.14 MPa)和制冷机(如需低温测试)。
 

　　实验启动：
 

　　打开仪器电源，自检完成后(绿色指示灯亮)连接电脑软件。
 

　　设置实验模式(如校准或测试)、样品信息(名称、质量)、程序参数(升温速率、气氛)。
 

　　点击“START”开始实验，实时监控热流曲线异常(如基线漂移、峰形畸变)。
 

　　4. 数据分析与结果解读
 

　　基线校正：
 

　　使用参比物数据消除仪器和环境干扰，校正方法包括：
 

　　直线基线法：峰前后基线在同一直线上时，取基线连线为峰底线。
 

　　切线基线法：峰前后基线不一致时，通过最大斜率点切线确定峰底线。
 

　　峰特征提取：
 

　　熔融温度(Tm)：吸热峰峰值温度，反映材料结晶完整性。
 

　　玻璃化转变温度(Tg)：台阶中点温度，表征非晶态聚合物柔韧性。
 

　　结晶度计算：

  

　　

       结果验证：
 

　　重复性测试：相同条件下多次测量，峰温偏差应<±1°C，峰面积偏差<±5%。
 

　　交叉验证：结合TG(热重分析)确认分解温度，避免DSC量热误差。
 

　　三、DSC应用场景与案例
 

　　材料科学：
 

　　聚合物加工：测定聚乙烯Tg(-120°C)和Tm(125°C)，优化注塑温度。
 

　　锂电池安全：分析电解液热稳定性，将三元材料热失控温度从220°C提升至250°C。
 

　　食品工业：
 

　　巧克力调温：通过可可脂熔融曲线(吸热峰28-32°C)指导工艺参数设定，产品合格率从85%提升至98%。
 

　　生物医药：
 

　　药物多晶型筛选：区分磺胺类药物α型和β型(熔点差异2°C)，确保生物利用度一致性。