分析DSC測試中樣品內(nèi)部的溫度分布及其對比熱測試的影響

摘 要：基于傅里葉導(dǎo)熱定理相關(guān)內(nèi)容的合理應(yīng)用，提出計算聚合物樣品內(nèi)分布溫度的有效方式，計算結(jié)果當(dāng)中明確溫度的詆毀會因為樣品本身的厚度以及升溫速度的上升而上升，1.0mm規(guī)格的樣品基于1K/min降溫之后基于10K/min的速度進(jìn)行升溫，這個過程當(dāng)中其內(nèi)部的最大溫差數(shù)值是0.882K，基于此對聚合物樣品的不同厚度、熱處理環(huán)境中比熱計算方式進(jìn)行測定，結(jié)果表明二者基本上是一致的。

關(guān)鍵詞：DSC;測試;樣品內(nèi)部;溫度分布;熱測試

DSC能夠?qū)Τ绦驕囟葼顟B(tài)下的材料熱焓變化情況進(jìn)行測試，其在材料熱性能形式探究方面的應(yīng)用非常廣泛，其中包含反應(yīng)動力學(xué)以及相變等，同時更能夠應(yīng)用在聚合物玻璃化轉(zhuǎn)變動力學(xué)、熱力學(xué)等諸多方面的探究當(dāng)中，聚合物在熱導(dǎo)方面的成效并不好，升溫速率快的時候，樣品當(dāng)中的溫度會出現(xiàn)之后，也就會形成溫度分布，這會對DSC測試結(jié)果產(chǎn)生影響。

1 闡釋實驗背景

相關(guān)探究者基于聚合物樣品當(dāng)中位置不同的標(biāo)準(zhǔn)金屬熔點測定，對其中的溫度分布情況進(jìn)行預(yù)估，對厚度不同的PC夾層金屬In熔點進(jìn)行測定，其處在20K/min的升溫速率狀態(tài)之下，當(dāng)其距離坩堝底部0.3mm的時候，和挨著坩堝進(jìn)行防治的熔點要高出大概2.5℃，也就是說PC樣品厚度為0.3mm的時候，其會形成溫度梯度，可是由于In在熔融過程當(dāng)中會吸收很多熱量，其會讓聚合物溫度梯度隨之增加，所以熔點變化無法將純聚合物的溫度分布相關(guān)情況全面反映出來。遵照相關(guān)模型的構(gòu)建，在進(jìn)行DSC測試的時候，如果固定升降溫的速率比保持不變，測試結(jié)果說明其吸熱峰會因為升溫速率的增加而逐漸變得更寬、更矮。同時也有的研究者認(rèn)為這是因為溫度梯度導(dǎo)致的，也隨之提出了校正峰寬對溫度梯度進(jìn)行估算的方式，并且基于模型構(gòu)建對樣品內(nèi)外溫差進(jìn)行實際計算，如果PS的厚度是0.75mm，如果其升溫速率是10K/min，溫差就是0.384K，可是相關(guān)探究者在實際計算黨總并未將樣品不同位置由于焓松弛狀態(tài)的差異存在比熱不同的因素考量其中，這會影響計算結(jié)果的精準(zhǔn)程度，同時也無法得到溫度分布方面的數(shù)據(jù)信息[1]。相關(guān)工作者對聚合物樣品進(jìn)行分層，如果層內(nèi)溫度相同而層際間存在溫差，計算獲得聚合物當(dāng)中的溫度分布，橡膠態(tài)的時候，樣品溫差大概是玻璃狀態(tài)溫差的2倍左右，PEI樣品厚度是1.0mm的時候，基于0.1K/min進(jìn)行降溫處理，之后在基于10K/min進(jìn)行升溫，這個時候其內(nèi)外溫差的最大數(shù)值是1.2K，如果樣品在玻璃態(tài)與橡膠態(tài)的時候不會伴隨溫度變化而變化，同時并未將比利華轉(zhuǎn)變中的極大數(shù)值進(jìn)行全面考量，那么也就是說雖然能夠在相關(guān)文獻(xiàn)當(dāng)中獲得溫度分布理論的結(jié)果，可是卻并未給予實驗對相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行驗證。事實上，很多研究者的探究結(jié)果都存在很大差異，計算方式方面也存在很多漏洞，所以文中對DSC測試當(dāng)中聚合物中溫度分布情況進(jìn)行重新考察，這是非常必要而可行的。

2 實驗部分

PS樣品的生產(chǎn)廠家是天津阿法愛莎公司，其規(guī)格是MW是5*104，PDI是1.06，并未進(jìn)行其他處理。對PS進(jìn)行精準(zhǔn)稱量，同時把其置于鋁制的坩堝當(dāng)中，讓其表面盡量保持平整，蓋上鋁制的密封蓋，之后將其加熱到200℃，恒溫1min之后進(jìn)行壓實，使用測厚儀對樣品的厚度進(jìn)行測量，得到數(shù)值為0.1-0.6mm，其同PS密度與DSC坩堝直徑的計算數(shù)值基本上是一致的。之后進(jìn)行DSC測試，先基于10K/min進(jìn)行加熱，當(dāng)其溫度為200℃的時候，恒溫5min將熱歷史消除掉，再基于1K/min進(jìn)行降溫，當(dāng)其溫度降為-50℃的時候進(jìn)行立即升溫，將溫度上升到200℃，其升溫速率是10K/min，或者是100K/min，N2予以保護(hù)。

3 計算樣品內(nèi)的溫度分布

如果樣品聚合物是圓柱體的，把其平均劃分成n層，每層中的內(nèi)部溫度都是相等的。因為上、下表面都是和鋁制坩堝、鋁蓋接觸的，鋁材質(zhì)有良好的熱導(dǎo)性能，也就是說其溫度和程序溫度是相同的。樣品聚合物的熱導(dǎo)性能偏低，所以其層際之間是存在溫差的?；谟嬎銠C程序進(jìn)行實際計算，遵照降溫操作中歸一化比的數(shù)值大小進(jìn)行分別設(shè)定，保證步長不會對計算結(jié)果產(chǎn)生顯著影響，基于此確保溫度分布與比熱測試所得數(shù)值的精準(zhǔn)性與有效性[2]。

3.1 PS樣品當(dāng)中的溫度分布

基于多個厚度不同的PS樣品參數(shù)進(jìn)行模型構(gòu)建，對樣品實驗的結(jié)果進(jìn)行擬合，分出最優(yōu)的數(shù)值，遵照對應(yīng)的方式進(jìn)行實際計算，明確當(dāng)厚度與升溫條件都不同的北京之下，PS內(nèi)部溫度分布的具體情況。PS樣品的厚度是1.0mm，經(jīng)過1K/min的速率進(jìn)行降溫，之后基于10K/min進(jìn)行加熱，得到其內(nèi)部溫度分布情況，能夠獲悉，樣品當(dāng)中的溫度屬于對稱分布，中心層和表層之間的溫度差值最大，也就是說由于假設(shè)上、下表面是相同溫度，溫度分布會因為程序溫度的變化而產(chǎn)生變化。樣品層不同，其升溫速率也是不用的，表層升溫率和程序設(shè)定是一致的，即10K/分做夢和，樣品內(nèi)部處在玻璃狀態(tài)與橡膠狀態(tài)的時候，其升溫速率都比10K/min要低，在玻璃化的轉(zhuǎn)變過程當(dāng)中，升溫速率是先降低而后升高的，在進(jìn)入到橡膠狀態(tài)之后，又轉(zhuǎn)變成比10K/min略低，這是由于樣品當(dāng)中的溫度分布伴隨溫度變化，致使不同分層產(chǎn)生波動變化的升溫速率。距離表層越遠(yuǎn)，其升溫速率產(chǎn)生的波動數(shù)值也就越大。

程序溫度不同的前提下，樣品處在橡膠狀態(tài)的時候，其溫差會比玻璃狀態(tài)大，樣品溫差處在玻璃狀態(tài)與橡膠狀態(tài)的時候也會伴隨溫度而產(chǎn)生變化，在玻璃化的轉(zhuǎn)變中溫差會產(chǎn)生極大值，玻璃化的轉(zhuǎn)變過程當(dāng)中，產(chǎn)生溫差極大值是由于在這個過程當(dāng)中，樣品比熱產(chǎn)生極大值，致使導(dǎo)溫系數(shù)產(chǎn)生了極小值。

升溫速率以及樣品的厚度都會影響樣品內(nèi)部的溫度分布情況，厚度不同的PS樣品，基于1K/min降到-50℃以后，再基于不同速率進(jìn)行升溫是產(chǎn)生的最大溫差數(shù)值，也就是說樣品本身的厚度與升溫速率等都會對最大溫差數(shù)值產(chǎn)生顯著影響，PS樣品厚度為1.0mm，基于100K/min進(jìn)行升溫加熱的時候，最大的溫度差值為8.18K。通常情況下，DSC測試當(dāng)中的聚合物質(zhì)量是5mg-10mg，樣品的厚度大概是0.17-0.33mm，如果升溫的速率地域20K/min，那么遵照一定的計算方式能夠獲得最大溫差數(shù)值，改改是0.21℃。而針對其他不同形式的聚合物，最大溫差數(shù)值并不大，樣品當(dāng)中的溫度分布可直接忽略不計。而大多數(shù)時候，樣品內(nèi)部的溫度分布無法直接進(jìn)行測定，DSC測試所得的結(jié)果就是樣品比熱數(shù)據(jù)，因此依然還需要對樣品實測比熱數(shù)據(jù)進(jìn)行求取。

3.2 比熱數(shù)據(jù)

對不同厚度的PS樣品進(jìn)行DSC實測，能夠獲悉入伙升溫速率是10K/min，樣品厚度在0.1-0.6mm間，其并不會對測試結(jié)果產(chǎn)生明顯影響[3]。當(dāng)升溫速率為100K/min的時候，因為溫度梯度快速增加，厚度不同的PS樣品會呈現(xiàn)出明顯差別。在升溫速率不同的狀態(tài)之下，理論計算所得數(shù)值和測試所得的數(shù)值基本上是一致的，也就是說，文中在DSC測試當(dāng)中計算的聚合物樣品內(nèi)部溫度分布數(shù)值是可靠的，而這在聚合物焓松弛與玻璃化狀態(tài)轉(zhuǎn)變的動力學(xué)探究當(dāng)中具有重要作用。

4 結(jié)束語

綜上所述，文中基于傅里葉傳熱定理與松弛模型對DSC測試當(dāng)中聚合物樣品當(dāng)中的溫度分布方式進(jìn)行計算，PS樣品計算結(jié)果表明在橡膠態(tài)的時候，其溫差高于玻璃狀態(tài)，在玻璃化的轉(zhuǎn)變中，溫差會產(chǎn)生極大值，樣品厚度與升溫速率的增加，會讓溫度梯度也隨之迅速增大，常規(guī)的DSC測試當(dāng)中，等特征溫度測試的結(jié)果并不會產(chǎn)生嚴(yán)重影響，并且基于此提出比熱的歸一化計算方式，獲得的計算記過和實測數(shù)據(jù)數(shù)值基本上是一致的。

參考文獻(xiàn)：

[1]龐承煥，吳博，黃險波，等.DSC測試玻璃化轉(zhuǎn)變溫度的優(yōu)化方法[J].合成材料老化與應(yīng)用，2019，48（03）：23-25.

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[3]江海平.鎳鐵納米合金的居里溫度及有序-無序轉(zhuǎn)變溫度的尺度及成分效應(yīng)[D].南京：南京大學(xué)，2018.

作者簡介：

許青梅（1974- ），女，漢族，籍貫：甘肅省榆中人，學(xué)歷：專科，畢業(yè)于西北師范大學(xué)，現(xiàn)有職稱：中級工程師，研究方向：精細(xì)化工安全風(fēng)險評估。