DSCPPT课件.ppt
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1、1Differential Scanning Calorimetry (DSC)Theory & Applications2整 体 概 述THE FIRST PART OF THE OVERALL OVERVIEW, P L E A S E S U M M A R I Z E T H E C O N T E N T第一部分3差示扫描量热仪 (DSC)nDSC测量样品吸热和放热与温度或时间的关系吸热 热流入样品,即样品吸收外界热量,为负值。放热 热流出样品,即样品对外界放出热量,为正值。国际标准ISO 11357-1:: DSC就是测量在程序控制温度下,输入到试样和参比物之间的功率差(dH/dt
2、)与温度(T)的关系的一种技术。该热流差能反映样品随温度或时间变化所发生的焓变:样品吸收能量时,焓变为吸热;当样品释放能量时,焓变为放热。4-0.4-0.3-0.2-0.10.00.1Heat Flow (W/g)0255075100125150Temperature (C)Exo UpEndothermic Heat FlowlHeat flows into the sample as a result of either lHeat capacity (heating) lGlass Transition (Tg)lMeltinglEvaporationlOther endothermic
3、 processesEndothermic5-0.10.00.1Heat Flow (W/g)020406080100120140160Temperature (C)Exo UpExothermic Heat FlowlHeat flows out of the sample as a result of either lHeat capacity (cooling) lCrystallizationlCuringlOxidationlOther exothermic processesExothermic6DSC与DTA测定原理的不同lDSCDSC是在控制温度变化情况下,以温度(或时间)为横
4、坐标,以样品与参比物间温差为零所需供给的热量为纵坐标所得的扫描曲线。lDTADTA是测量 T-T T-T 的关系,而DSCDSC是保持 T = T = 0 0,测定 H-T H-T 的关系。两者最大的差别是DTADTA只能定性或半定量,而DSCDSC的结果可用于定量分析。7DSC: What DSC Can Tell YoulGlass Transitions(玻璃化转变,Tg)lMelting and Boiling Points(熔点和沸点)lCrystallization time and temperature(结晶时间和温度)lPercent Crystallinity(结晶度)lP
5、olymorphism(多种形态)lHeats of Fusion and Reactions(熔化和反应热)lSpecific Heat(比热)lOxidative/Thermal Stability(氧化/热稳定性)lRate and Degree of Cure(固化速率和程度)lReaction Kinetics(反应动力学)lPurity(纯度)8DSC: 典型 DSC 转变温度热流 - 放热玻璃化转变结晶熔化交联 (固化) 氧化 或分解9热流型(Heat Flux)(Heat Flux)在给予样品和参比品相同的功率下,测定样品和参比品两端的温差 T T,然后根据热流方程,将 T T
6、(温差)换算成 Q Q(热量差)作为信号的输出。功率补偿型(Power Compensation)(Power Compensation)在样品和参比品始终保持相同温度的条件下,测定为满足此条件样品和参比品两端所需的能量差,并直接作为信号 Q Q(热量差)输出。调制热流型(Modulated Heat Flux)(Modulated Heat Flux)在传统热流型DSCDSC线性变温基础上,叠加一个正弦震荡温度程序,最后效果是可随热容变化同时测量热流量,利用傅立叶变换将热流量即时分解成热容成分动力学成分。1、DSC的基本原理FurnaceThermocouplesSampleReferenc
7、ePlatinum AlloyPRT SensorPlatinumResistance HeaterHeat Sink热流型 DSC功率补偿型 DSCSample传统量热仪内部示意图精确的温度控制和测量更快的响应时间和冷却速度高分辨率基线稳定高灵敏度 热流DSC 炉子剖面图Dynamic Sample ChamberReference PanSample PanLidGas Purge InletChromel DiscHeating BlockChromel DiscAlumel WireChromel WireThermocouple JunctionThermoelectric Disc
8、 (Constantan)12热流式 DSC - 工作原理sfsssRTTQrfrrrRTTQrsQQQRsRrTfsTrsTsTrRrTTRTTQQQfrrsfssrs13热流式 DSC - 工作原理假设: : 1, 1, 传感器绝对对称,Tfs = TfrTfs = Tfr, Rs = Rr = R Rs = Rr = R2, 2, 样品和参比端的热容相等Cpr-CpsCpr-Cps3, 3, 样品和参比的加热速率永远相同4, 4, 样品盘及参比盘的质量(热容)相等5, 5, 样品盘、参比盘与传感器之间没有热阻或热 阻相等 RTRTTRTTTTRrTTRTTQQQrsfrrfssfrrsf
9、ssrs14Heat Flux DSC: Theoretical T MeasurementTrTsTToTpTr = Reference TemperatureTs = Sample TemperatureTo = Onset of MeltTp = Peak of MeltTheoretically: To = TpTimeTemperature15Actual Heat Flux Data-4-20Delta T/Heat Flow156.0156.5157.0157.5Reference Temperature (C)156.0156.5157.0157.5SampleTemperat
10、ure (C)5.25.35.45.55.65.75.8Time (min)Sample: Indium +2C/minSize: 1.7900 mgComment: Multiple Heating and Cooling RatesDSCFile: .TADataDSCShickIndium 5.018Operator: CaulfieldRun Date: 08-Sep-2006 16:51Instrument: DSC Q1000 V9.6 Build 290Exo UpSlope due to thermal lagT16Violations of AssumptionsPan an
11、d calorimeter heat capacities are ignored Sample and reference heat capacities are assumed to be the same and to heat at the same rate. In general the sample and reference calorimeter heat capacities do not match contributing to non-zero empty DSC heat flow rate baseline. During transitions and MDSC
12、 experiments the sample and reference heating rates differ and the measured heat flow rate is incorrect because the sample and reference sensor and pan heat capacities store or release heat at different rates.17Expanded Principle of Operation Q = Ts - Tr + A + B + C R ThermalResistance Imbalance The
13、rmalCapacitance Imbalance Heating RateImbalanceTfsTsRsTfrTrRrCsCrNot Being Measured w/ Conventional DSC18Q-Series DSC SchematicSample & Reference PlatformsTzero ThermocoupleConstantan BodyChromel WireChromel Area DetectorConstantan WireChromel WireBase SurfaceThin Wall TubeSample PlatformReference P
14、latformQ-Series Heat Flow MeasurementTrTsRsCsCrRrToTfQ-Series DSCThe Tzero thermocouple provides anobjective reference point so that thosefactors previously assumed can be directlymeasured.20Tzero Heat Flow Measurement Rs Rr qs qr Cs Cr Tr T0 Ts Heat Flow Rate EquationsHeat FlowSensor ModelThe sampl
15、e and reference calorimeter thermal resistances and heat capacities obtained from Tzero calibration are used in the heat flow rate measurements.rsTTTsTTT00dtdTCRTqsss0dtdTCRTTqrrr0Differential Temperatures21Tzero Heat Flow Term ContributionslPrincipal heat flow provides main heat flow signallThermal
16、 resistance and heat capacity imbalance terms improve baselinelHeating rate difference term improves resolution and MDSC performancedTdCddTCCRRTRTqrssrrsr11022To技术的四相 热流方程dTdCddTCCRRTRTqrssrrsr110基本热流热阻不平衡热容不平衡加热速率不平衡标准DSC的单项热流方程To技术提供的额外项23T0及高级T0技术对DSC测量的改进:T0不需假设(Q200/Q100 DSC):1, 传感器绝对对称,Tfs = T
17、fr, Rs = Rr = R2, 样品和参比端的热容相等Cpr-Cps3, 样品和参比的加热速率永远相同高级To不需假设(Q2000/Q1000 DSC):4, 样品盘及参比盘的质量(热容)性等5, 样品盘、参比比盘与传感器之间没有热阻或热阻相等 dTdCddTCCRRTRTqrssrrsr11024Baseline Bow Improvement25Superior Resolution on a Pharmaceutical Sample Analysis26Resolution Improvement156.81C-8.58mW0.49C156.92C-6.74mW1.03C-8-6-
18、4-202Heat Flow T4 (mW)-8-6-4-202Heat Flow T1 (mW)150152154156158160162164Temperature (C)Sample: Indium +10C/minSize: 1.7900 mgComment: Multiple Heating and Cooling RatesDSCFile: .TADataDSCShickIndium 5.001Operator: CaulfieldRun Date: 08-Sep-2006 12:08Instrument: DSC Q1000 V9.6 Build 290Exo Up27Advan
19、ced Tzero Results6165697377Temperature (C)-25-20-15-10-50Heat Flow (mW)Advanced TzeroTzero DSCConventional DSCAdvanced Tzero DSC 1.13 mg Dotriacontane 10C/min28MDSC 测量什么? lMDSC 将热流分解成与变化的升温速率相关和不相关的两部分lMDSC将变化的升温速率叠加在线性的升温速率上是为了测量与变化的升温速率相关的热流 l一般来讲, 只有热容与熔融的变化与变化的升温速率相关.lMDSC 的可逆和不可逆信号 绝不能 样品可逆和不可逆
20、性质的测量29MDSC 原理lMDSC 同时采用两种升温速率l平均升温速率l提供平均升温速率,它相当与普通标准 DSC 在同样升温速率下的信号l调制升温速率l目的是为了在得到热流信号的同时得到热容的信号30Standard DSC Measures the Sum of Heat FlowdH/dt = Cp(dT/dt) + (T,t)31Standard DSC Measures the Sum of Heat Flow Which Arises from Multiple SourcesdH/dt = Cp(dT/dt) + (T,t)32Ideal Separation of Heat
21、 FlowdH/dt = (T,t)dH/dt = Cp(dT/dt)33平均 & 调制温度信号调制温度平均温度Modulate +/- 0.42 C every 40 secondsRamp 4.00 C/min to 290.00 C525456586062Modulated Temperature (C)525456586062Temperature (C)13.013.514.014.515.0Time (min)34平均 & 调制升温速率周期平均升温速率调制升温速率0246810Deriv. Modulated Temperature (C/min)0246810Deriv. Tem
22、perature (C/min)13.013.514.014.515.0Time (min)35MDSC Raw Data SignalsModulated Heat Flow and Modulated Temperature (Heating Rate)36调制DSC总热流:调制热流的傅立叶转换37Calculation of Reversing CpModulated Heating RateModulated Heat FlowReversing Cp38调制DSC 不同成分的概念lMDSC Data Signalst)(T, dtdT Cp dtdHf可逆热流Reversing Tr
23、ansitions热容Heat Capacity玻璃化转变Glass Transition大部分的熔融Most Melting 总热流 = 可逆热流 + 不可逆热流39lMDSC Data Signalst)(T, dtdT Cp dtdHf 总热流 = 可逆热流 + 不可逆热流不可逆转变热焓松弛Enthalpic Recovery挥发Evaporation结晶Crystallization热固化Thermoset Cure蛋白质变性Protein Denaturation淀粉糊化Starch Gelatinization分解Decomposition部分熔融Some Melting调制DSC
24、 不同成分的概念40MDSC 无定形 PETNonreversingReversingTotal-0.4-0.20.0Nonrev Heat Flow (W/g)-0.4-0.20.00.20.4Rev Heat Flow (W/g)-0.4-0.20.00.2Heat Flow (W/g)050100150200250300Temperature (C)Exo Up41何时 & 为什么运行 MDSC?l我需要比热信息吗?l转变是一个比热相关的现象吗?l有被其他效应掩盖的现象吗?l存在对于标准DSC来讲很微弱或很宽的转变吗?l是否需要更高的灵敏度或分辨率吗?l比热会在恒温条件下随着时间而变化吗
25、(比如恒温固化)?42何时 & 为什么运行 MDSC?l对于熔融和结晶 l如果熔融过程看起来正常 (单个吸热峰) 并且在加热时无明显的结晶 ,就不必采用 MDSCl然而, 如果熔融过程很复杂, 或很难确定样品是否在加热时 存在结晶, 采用MDSC l如果想得到比热 (Cp) 运行MDSCl通过常规DSC得到比热 (Q1000 由于直接比热的测量是个例外)l采用较高的升温速率, 10C/minl需要三个实验基线参考样 (蓝宝石)样品43普通 DSC的局限性不可能在单个DSC的实验中同时提高灵敏度和分辨率升温速率快,灵敏度提高,分辨率下降升温速率慢,分辨率提高,灵敏度下降MDSC 可以解决该问题是
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