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差示扫描量热仪的实验技术

2020.4.13
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guoliming

致力于为分析测试行业奉献终身

1.实验方法的选择

要根据不同的测试目的选择不同的测试方法。最常用的实验方法是用DSC仪直接测量,如果有多种物理量需要测量,可选用联用的测试方法,如热重/差示扫描量热仪、热重/红外/差示扫描/质谱分析等。

2.实验条件的选择及选择依据

(1)起始温度的确定

在确定测试条件前,首先要对样品的组成部分和分解温度有所了解,要知道样品的分解温度大概在哪个温度段,然后再根据测试目的确定样品的测试条件,一般情况下起始温度从室温开始(本型号的DSC温度范围为-60~700℃),若为了节省时间也可从样品分解前50~100℃开始,终止温度在样品分解之后延长50~100℃即可。

若不知道样品的分解温度段,可在允许温度范围内全量程快速测试一遍,而后再确定具体的测试条件。

也可以借鉴与被测样品的性质类似或相同的测试方法。

(2)升温速率的确定

随着升温速率的提高,其分解温度也在提高,也就是说升温速率越快分解温度越向高温段移动,并且分解时在曲线上的峰能明显地表现出来。升温速率慢分辨率相对要好些,相邻的两个肩峰能分得开。一般无机材料的升温速率可用10~20℃/min或更高(因为无机材料传热较好和试样温度较高),有机材料和高分子材料可用5~10℃/min。

(3)保护气氛的确定

DSC的所有测量都要用气体吹扫,气体流量在50mL/min左右,其目的是:①避免水分冷凝在DSC仪器上,所以炉体和炉盖间必须充入吹扫气体,保护测量池;②使样品在测量过程中始终处于某种气体介质中反应。

一般选择不与样品起反应的惰性气体。若需要气体参加反应,可根据样品的反应选择气体,最常用的是N2、Ar。以下是几种气体的适用范围:

氮气:用于无氧(实际上是低氧)条件下的测试。一般用纯度高的氮气(含量99.99%)。氮气是最常用的“惰性气体”。在高温下,氮气与某些金属也会生成氮化物。

氩气:作为惰性气体较常用。

空气:在300℃范围内,对于大部分无机样品空气是惰性的,但对于聚乙烯塑料材料则是活性的。

氧气:用于氧化和燃烧行为的测定。通常对氧的纯度要求不高。

氦气:比上述气体的导热性要好得多。可用于DSC测量以降低信号时间常数。是一种无凝结倾向的气体,常用于低温测量,可低至-180℃。

二氧化碳:可用于羧化反应。

一氧化碳:不仅可燃,而且有毒并有爆炸危险,若作吹扫气体必须经过特殊处理。此种气体不常用。

(4)坩埚的确定

原则是坩埚材料不可影响试样的反应。500℃之内用40uL标准的卷边铝坩埚;

陶瓷坩埚(AI2O3),在温度高于500℃时用,若是加热后极易膨胀溢出的样品可加盖;

密封坩埚用于挥发性较强的样品,可选择铝中压坩埚(耐压2MPa)或不锈钢高压密封坩埚(耐压10MPa);

铂金坩埚的优点是导热性好,但不常用;

蓝宝石坩埚更耐高温,不适合低温型的DSC用。

(5)试样量的确定

试样对整个样品要具有代表性,否则测出的结果无意义。称取试样量的多少取决于试样的性质,若是含能材料,如火炸药、起爆药类、反应剧烈的样品,量一定要少,少至0.1 mg左右,否则样品的图谱会扭曲变形且仪器易损坏。若是金属或稳定性很好的样品,量可至几十毫克甚至几百毫克。

3.实验影响因素及其排除方法

(1)升温速率的影响

升温速率是影响测试结果的一个重要因素,升温速率越快,分解温度越高,升温速率越慢,分解温度越低,图28-11是其他测试条件相同,但升温速率不同时测得的DSC曲线。如果升温速率不当,则反应可能重叠而无法测量,一般较高的升温速率,分解温度和峰顶温度也较高,并且紧相邻的峰不易分开。因为升温速率快,所以试样在加热时没有时间改变结构,如果想分离重叠反应或肩峰,最好的办法是控制升温速率,慢的升温速率分辨率比较好。分解越快的样品升温速率要越慢,如起爆药、火炸药等。

图28-11     升温速率不同,其他测试条件相同时测得的DSC曲线1,2,3,4分别对应于以5℃/min,10℃/min,15℃/min,20℃/min的升温速率

(2)坩埚的影响

不同材质、不同形状的坩埚对测试结果有着不同的影响。

铂金坩埚导热性好于陶瓷坩埚,分解温度相对较低;使用浅盘坩埚,分解温度比深盘坩埚分解温度低;直径大的坩埚比直径小的坩埚分解温度低;铝坩埚比陶瓷坩埚传热性好些,且分解温度低。

另外坩埚的材质、大小与形状对测试结果的影响,与试样填装量有关,较多的试样量使用深而大的坩埚,反应气体的扩散受阻,也阻碍了气氛进入试样内部,所以造成终止温度偏高。因此在填装样品时,要防止样品堆积在一起,尽量把样品均匀地平铺在坩埚底部,减少温度梯度,可受热均匀。一般情况下均用铝坩埚,传热好极易达到平衡。

(3)样品形态的影响

无论样品的形态是固体、液体、粉状、块状,还是纤维、薄膜都会对测试结果造成影响。颗粒的大小对测试结果也有明显影响:固体试样的分解温度要高于粉末状和液体,因为在样品内有一定的温度梯度,特别是金属物;大颗粒试样要高于小颗粒试样;固体样品最好制作成平坦的圆片,和坩埚底部有良好的接触。细粉末状的样品最理想。

(4)样品量的影响

样品量大,气体的扩散受阻,传热受阻,内部产生一定的温度梯度,反应时间延长,分解温度偏高。试样量小,分辨率较好,肩峰能分开。样品量取多少,由样品的性质而定,反应惰性的样品可量大,若量小测得的曲线不好,峰不明显;反应剧烈的样品量要少,若多则测得的曲线会扭曲变形,并易损坏仪器。

(5)气体流速的影响

通入气体的作用是保护样品在某种气氛中反应,与环境气氛隔绝,并移去炉腔内的挥发性产物,气体流速越大,分解温度越低。大流速可迅速带走反应产出的气体,并有利于传热与扩散,加速分解。另外气体浮力和气流效应也能造成基线漂移,可通过空白曲线扣除来降低或消除。

4.样品制备方法及一般要求

不同形态的样品在制备时的原则是:样品和坩埚要有良好的接触,否则会造成试样内温度梯度大,反应有拖尾现象;温度梯度小,得到的图谱峰形尖锐,可提高测试结果的重复性,增强相邻峰的分离。所以制备样品时主要要考虑到两个方面:样品与坩埚。

(1)样品

被测样品一定要具有代表性,没有代表性的样品不能反映出整体样品的真实性,测试出的结果也没有意义。DSC测试用的样品量不大,一般在1~2mg,若是含能材料,用的量就更少,如叠氮肼镍只用0.17mg左右,反应峰就特别尖锐,0.22mg左右峰形就扭曲变形。

在制备样品过程中,试样绝不能受到污染,使用的工具要干净,使样品尽可能没有变化;细纤维和薄膜样品层与层之间最好不要有间隙,放到坩埚里后,用平头工具压实;粗纤维可剪短平放在坩埚内,在上面覆盖一层导热粉末,如A12O3;金属材料要打磨或切割出一个平面,其目的是和坩埚底部有良好的接触,这样比不规则形态的样品热接触好,测试结果也就好。

对于放热强烈的反应,可通过用较粗糙的氧化铝或玻璃粉末与样品混合稀释来测量。可有利于气体向试样扩散。用于稀释样品的物质必须干燥且不可与试样发生反应。

(2)坩埚

在制备样品时坩埚外层不可粘有样品,特别是坩埚的外部。若粘有样品,会造成称量质量不准确;影响自动进样器的正常工作;随着温度的升高,坩埚与传感器粘连在一起,不易分开而造成损坏;受污染的传感器由于传热不良,可能产生假象(由于污染而产生的效应)。

传感器上的有机污染物,可通过加热清洁处理去除(用空气作为吹扫气体在600℃恒温10min或在500℃恒温20min)。水溶性污染物可用湿棉球小心拭去,然后做加热清洁处理。


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