【干货】差示扫描量热法DSC的前世今生和应用

DSC测试是通过程序控制温度（升/降/恒温及其组合）的变化，在温度变化的同时，测量试样和参比物的功率差（热流率）与温度的关系。

即研究在温度程序控制下物质随温度的变化其物理量（ΔQ和ΔH）的变化。

前世

DSC的前身是差热分析（DTA）。

差热分析（DTA）是在程序控制温度条件下，测量样品与参比物之间的温度差与温度关系的一种热分析方法。

DTA输出的信号是温差（ΔT），而用温差来描述热量不但间接而且不够准确，难于进行热量的定量测定，无法建立△H与△T之间的联系。由此，DSC应运而生。

区别表1：DTA与DSC的区别今生1. DSC样品要求

（1）类型：可以分析固体和液体样品；固体样品可以是粉末、薄片、晶体或颗粒；对于薄膜类样品，可直接冲成圆片，块状样品可用剪刀分解成小块。

（2）用量：样品用量可在0.5-10 mg之间；用量少，有利于使用快速程序温度扫描，可得到高分辨率而提高定性效果，容易释放裂解产物，获得较高转变能量；用量大，可观察到细小的转变，得到较精确的定量结果。

（3）形状：样品的几何形状对DSC峰形亦有影响；大块样品，由于传热不良导致使峰形不规则；细或薄的样品，可得到规则的蜂形，有利于面积的计算；对峰面积基本上没有影响。

（4） 纯度：样品纯度对DSC曲线的影响较大；杂质含量的增加会使转变峰向低温方向移动且峰形变宽。

2. DSC常用气氛

N₂：常用惰性气氛。

Ar：惰性气氛，多用于金属材料的高温测试。

He：惰性气氛，因其导热性好，有时用于低温下的测试。

Air：氧化性气氛，可作反应气氛。

O₂：强氧化性气氛，一般用作反应气氛。

其他特殊气氛：如H₂、CO、HCl 等，需要考虑气氛在测试所达到的最高温度下是否会与热电偶、坩埚等发生反应，注意防止爆炸和中毒。

另外，通过改变测试气氛（如真空-氮气-空气），有助于深入剖析材料成分。

3. DSC常用坩埚

坩埚的分类：

常用坩埚：Al、Al₂O₂、PtRh

其它坩埚：PtRh+Al₂O₂、Steel、 Cu、 Graphite、ZrO₂、 Ag、 Au、Quartz 等。

压力坩埚：中压坩埚，高压坩埚。

4.DSC的主要应用

（1）DSC在食品、塑料、蛋白质、液晶、含能材料等领域有着非常广泛的应用，表2简要地列出了利用DSC可检测的主要现象。

表2：DSC的主要应用

（2）氧化诱导温度/氧化诱导期（OIT）的测定高分子材料所处的外部环境诸如光照（紫外辐射为主）、温度、大气中的氧气、大气中的物质（如杂质）或化学/生物介质等，会导致材料的过早老化，可能严重影响材料的使用性能，甚至导致零部件材料的失效。

导致化学老化（如链降解）最常见的因素是氧化，因此，氧化稳定性是关系到油、脂肪、润滑剂、燃料、塑料等高分子材料应用的重要测量标准。

在实际应用中，有两种不同的方法，即动态OIT测试和等温OIT测试。动态测试时，样品在氧化气氛下以特定的升温速率加热，直到反应开始。

氧化诱导温度OIT（也被称作氧化起始温度OOT）与DSC放热曲线中外推的起始温度相同。等温OIT测试中，待测样品先在保护气氛中加热，然后恒温数分钟以建立平衡，最后通入氧化气氛比如氧气或空气。

从开始通入氧化气氛，至样品起始发生氧化的这段时间差称为氧化诱导期OIT。

ASTM D3895（聚乙烯）、DIN EN 728（塑料管道）、ISO 11357-6（塑料）等一系列国家和国际标准中详细介绍了测定样品OIT的相关流程，涉及样品制备、测量和数据分析等方方面面。

通常情况下，测试使用的坩埚为敞口坩埚或者坩埚加盖扎孔。对于聚烯烃类（如聚乙烯或聚丙烯）样品，氧化诱导期（OIT）越长，则氧化稳定性越高，材料的使用寿命越长。

图1：氧化诱导时间（等温OIT）示意图

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