差動熱分析

熱分析是測量在受控程式溫度條件下，物質的物理性能隨溫度變化的函式關係的一組技術。目前熱分析已經發展成為系統的分析方法，它對於材料的研究是一種極為有用的工具，特別是在高聚合物的分析測定方面套用更為廣泛。它不僅能獲得結構方面的信息，而且還能測定性能，熱分析儀已成為從事材料測試的實驗室必備的儀器。

基本介紹

• 中文名：差動熱分析
• 外文名：Differential Scanning Calorimetry
• 又名：示差掃描熱量法
• 所屬領域：熱分析技術

分析結果

差動熱簡介

也叫做示差掃描熱量法（Differential Scanning Calorimetry ），是在程式溫度下，測量物質與參比物的功率差值△W與溫度的函式關係。是和DTA在套用上相近而在原理上稍有改進的一種熱分析技術。

差動熱分析儀CDR-4P用於測定物質在熱反應時的特徵溫度及吸熱或放出的熱量，包括物質相變、分解、化合、凝固、脫水、蒸發等物理或化學反應，廣泛套用於無機、矽酸鹽、陶瓷、礦物金屬、航天耐溫材料等領域。是無機、有機、特別是高分子聚合物、玻璃鋼等方面熱分析的重要儀器。可實現在同一台熱分析儀上分別測量DTA和DSC。

DTA的工作原理

（圖1）是在程式溫度控制下恆速升溫（或降溫）時，連續測定試樣(S)同參比物（R：如α-氧化鋁）間的溫度差ΔT，從而以ΔT對T作圖得到熱譜圖曲線（見圖2），進而通過對其分析處理獲取所需信息。

在進行DTA測試時，試樣和參比物分別放在兩個樣品池內，如圖1所示，加熱爐以一定的速率升溫，若試樣沒有熱反應，則它的溫度和和參比物溫度之間的溫差ΔT=0，差熱曲線為一條直線，稱為基線；若試樣在某溫度範圍內有吸熱（放熱）反應，則試樣溫度將停止（或加快）上升，試樣和參比物之間產生溫差ΔT，將該信號放大，由計算機進行數據採集處理後形成DTA峰形曲線，根據出峰的溫度及其面積的大小與形狀可以進行分析。

DSC的原理和DTA基本相似，其改進之處是在試樣和參比物下增加了兩組補償加熱絲，當試樣在加熱過程中由於熱反應而和參比試樣間出現溫差ΔT時，通過差熱放大和差動熱量補償使流入補償絲的電流發生變化。當試樣吸熱時，補償使試樣一邊的電流立刻增大，反之，在試樣放熱時使參比物一邊的電流增大，直到兩邊達到熱平衡，溫差ΔT消失為止。換句話說，試樣在熱反應時發生的熱量變化，由於及時輸入電功率而得到補償。

DSC和DTA相比，在試樣發生熱效應時DTA中試樣的實際溫度已經不是程式升溫時所控制的溫度（如試樣在放熱反應時會加速升溫），而在DSC中試樣的熱量變化可及時得到補償，試樣和參比物的溫度始終保持一致，避免了參比物和試樣之間的熱傳遞，因而儀器的熱滯後現象小，出峰溫度更接近實際溫度，且反應更靈敏，解析度更高。

DTA或者DSC分析

所選用的參比物應是在實驗溫度範圍內不發生物理變化及化學變化的物質，如α-Al2O3，石英粉和MgO等。當把試樣和參比物同置於加熱爐中等速升溫進行DTA測試時，若試樣不發生熱效應，在理想情況下，試樣的溫度和參比物的溫度相等，此時ΔT=0，在熱譜圖上應是一根水平基線。當試樣發生了物理或化學變化，吸入或放出熱量時，ΔT≠0，在熱譜圖上會出現吸熱或放熱峰，形成ΔT隨溫度變化的差熱曲線（熱譜圖），在習慣上通常以溫度差ΔT作縱坐標，吸熱峰向下，放熱峰向上，溫度T作橫坐標，自左向右增加。在熱譜圖上，由峰的位置可確定發生熱效應的溫度，由峰的面積可確定熱效應的大小，由峰的形狀可了解有關過程的動力學特性。

DTA和DSC的相變

測定結晶溫度Tc、熔點Tm、結晶相轉變等物理變化，研究聚合物固化、交聯、氧化、分解等反應，測定聚合物玻璃化轉變溫度Tg，也可測定反應溫度或反應溫度區等反應動力學參數。如圖7-2中，聚合物的玻璃化轉變為一體積鬆弛過程，在Tg處，聚合物的比熱發生突然變化，故在熱譜圖上Tg處表現為基線的突然變動。聚合物的熔融和熱分解吸熱，故在熱譜圖上出現向下的負峰，而聚合物的結晶和氧化為放熱，表現為向上的正峰，據此可判斷聚合物的結晶相轉變，耐熱氧化性能及耐熱穩定性等。

DTA和DSC的因素

要獲得準確的DTA和DSC結果，最重要的是使試樣和參比物處於均勻的溫度，並在均勻狀態的條件下進行操作，以免造成基線漂移和差熱峰出現不對稱等情況。此外試樣和參比物的熱容量不匹配或導熱性不好，試樣堆砌不緊密或顆粒大小不合適，幾何形狀不對稱，存在稀釋劑等因素都可能對結果產生影響。

所謂稀釋劑是指那些用來和試樣混合，以使其熱傳導和熱擴散與參比物相匹配的惰性物質（常用參比物）。一般來說，採用小試樣和少量稀釋劑效果較好，但由於靈敏度隨試樣量的增大而增大，而解析度隨之下降，因此必須選擇一最佳配比。除試樣用量外，如試樣粒度太小，其表面積增大，轉變溫度會移向低溫。試樣堆砌緊密，熱傳導大，從而改善了再現性。

加熱速率是一個重要的實驗參數，如加熱速度快，使反應遷移至較高溫度，給出較大、較銳的峰形。如Tg變高，Tc變高，結晶度變小，峰也變小，但對Tm影響較小。此外熱電偶的位置需要特別注意，必須固定不變，對準中心才有較好重複性，否則基線差，峰歪斜，溫度有誤差。測試氣氛不同，樣品的化學反應也不同，譜圖亦變化。熱譜圖中峰的面積是和熱效應ΔQ成正比。ΔQ=K∫ttΔTdt=KA (1) 21

式中的比例常數K可由標準物質確定，它隨著溫度、儀器、操作條件而變，因而導致了DTA的定量性不好。DSC則可以通過一系列的計算提供比較準確的定量結果。

差熱分析儀的使用

熱分析技術的基礎是當物質的物理狀態和化學狀態發生變化時（如升華、氧化、聚合、固化、硫化、脫水、結晶、熔融、晶格改變或發生化學變化時），往往伴隨著熱力學性質（如熱焓、比熱容、導熱係數等）的變化，因此可通過測定其熱力學性質的變化，來了解物質物理或化學過程。

熱分析方法有：差熱分析（Differential Thermal Analysis簡稱DTA）；示差掃描量熱法（Differential Scanning Calorimetry簡稱DSC）；熱重分析（Thermogra Vimetric Analysis簡稱TGA）；熱機械分析（Thermomechanic Analysis簡稱TMA）。

差熱分析技術是在程式溫度控制下，測量物質與參比物之間的溫度差隨溫度變化的一種技術。

CDR-4P差動熱分析儀主要由溫度控制系統和差熱測量系統組成，輔之以氣氛和冷卻水通道，測量結果由記錄儀或計算機數據處理系統處理。可用於測定物質在熱反應時的特徵溫度及吸熱或放出的熱量，廣泛套用於無機、矽酸鹽、陶瓷、礦物金屬、航天耐溫材料等領域。是有機、無機、特別是高分子聚合物、玻璃鋼等方面熱分析的重要儀器。可進行DTA與DSC分析。