PDF《革命性新产品闪速DSC 1：亚稳态材料研究的最佳工具》

2 (右) 所示,薄膜中心处直径 0.5mm 的圆形区域是样品区域.该区域表面镀铝以 确保温度均匀一致.样品区域的温度由八对热电偶测量得出.样品区域实际上就是量 热仪的 炉体 ,处于周围的冷环境之中.由于 炉体 非常低的热容以及与周围冷环境的 温差,因此能达到数千 K/s 的升温及降温速率. 样品 闪速 DSC

1 的典型样品(聚合物)厚10 到50μm.有机材料的典型质量在 10ng 到10μg 之间.通常,首先从基体材料上切下一些小圆片.然后在显微镜下用刀片在传感 器的附件将小圆片切成更小的小片.利用尖端带有一根细毛的专用毛笔将制备成的样 品直接放置于传感器上(图2). 相比于传统 DSC 的样品和炉体,闪速 DSC

1 的样品相对于它的炉体来说已经是很大 的了.这意味着测量系统的许多性能,例如时间常数 τlag,主要由样品以及样品与传感 器之间的接触所决定. 配置 UFS

1 传感器的闪速 DSC

1 的性能 升温及降温速率 图3说明了配置 UFS

1 传感器的闪速 DSC

1 的升温及降温行为.图中的黑色曲线(无 样品)说明:对于冷却到-100℃的系统,最大升温及降温速率是温度的函数.图3中的 彩色曲线由不同质量(25ng,100ng 及1.1μg)的聚丙烯(PP)测试得到.测试的最高温 度设定在 170℃.实验显示在 0℃到140℃之间的相关温度范围内,最大升温速率为 40000K/s,最大降温速率为 4000K/s.可见升温曲线不依赖于样品的质量变化. 对于冷却曲线,最大质量的样品无法达到很高的降温速率.对于这一样品,测试温度 范围内的最大冷却速率为 2000K/s. 图3无样品的传感器(空的)以及放有不同质量聚丙烯样品的传感器的升温(上图)及降温 曲线(下图). 等温行为 为了测试等温过程,例如等温结晶,必须将样品从熔融状态迅速地进行冷却以抑制晶 体结构的形成.一旦到达等温温度,温度就应该迅速稳定并且没有过冲现象.图4显示了冷却实验中的样品温度行为.样品(约100ng 的聚合物)以1000K/s 的冷却速率从 170℃冷却到 50℃.约5.5 毫秒后达到结晶温度并且样品温度的最大过冲量为 0.02K.因此可以测试峰值时间为几十毫秒的等温过程. 图4以1000K/s 的降温速率降温到 50℃之后的样品温度行为. 由于热传导引起的时间延迟(热滞后) 在DSC 仪器中,由于加热体和样品间的热传导现象,使得温度程序和样品温度之间存 在着热延迟(τlag)或热滞后.正是由于这个热滞后效应,导致测量纯物质的熔融峰起始 点温度似乎依赖于加热速率,除非对其进行修正. 在闪速 DSC

1 中,时间常数主要由样品以及样品与传感器的接触所决定.图5使用 1μg 的铟作为样品显示了时间常数的典型表现行为.在0.05K/s(3K/min)到10000K/s(600000K/min)之间以不同的升温速率测量样品的熔融峰值,并且确定起始 点温度 Ton.如图

5 中所示,测量得到的数值是加热速率 β 的函数. 起始点温度与升温速率如预期般地呈现出公式(1)的线性关系: Ton = Ton,0 + τ lagβ (1) 这里 Ton,o 是外推到加热速率为 0K/min 的起始点温度.在图

5 中,横坐标用对数显示 以便适应较大的升温速率范围.由于这个原因,线性拟合函数(公式 1)变成了一条曲线 (蓝色曲线).对测量数据进行计算得到的时间常数,τlag,为0.62 毫秒.τlag 的典型值 介于 0.8 毫秒到 0.4 毫秒之间. 图5在不同的升温速率下铟的熔融峰起始点温度.黑色圆点是测量值.蓝色曲线是近 似的线性拟合曲线. 样品测试实例 聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)的结构重组 以2000K/s 的降温速率将聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)样品从熔融状态冷却到 170℃,使样品在这个温度下进行