適用于DTA和DSC研究的樣品極為廣泛,幾乎涵蓋各類天然材料、生物與有機材料、礦物與無機化學品,以及眾多合成與復合材料。這些樣品的物理特性差異顯著,從堅硬且不滲透的陶瓷,到有機粉末、金屬、石蠟,再到不同黏度的液體。多數情況下,需采用特殊的實驗方案才能獲得準確且可重復的熱分析結果。
通過正確的制樣操作、選擇合適的樣品池和制樣條件,可以獲得在特定條件下的結果。對于DSC實驗而言,這些結果應實現對溫度、焓和熱容的精確的、可重復的測量,并能準確反映樣品反應的動力學行為及相互作用。實驗過程中,傳感器與樣品之間保持良好的熱接觸、維持較低的熱阻至關重要,因此制樣時必須充分考慮所有可能影響熱接觸的因素。
在所有實驗中,需先稱量空樣品盤,然后將制備好的樣品連同坩堝一同稱重。通常采用差減法稱取適量試樣置于試樣坩堝內(精確到±0.01mg),并確保樣品與坩堝底部緊密接觸。打開爐體,將試樣坩堝和參比坩堝分別置于樣品支持器和參比物支持器上,隨后關閉爐體。參比物的稱量與裝載過程與樣品一致。
對于片狀樣品,通常使用潔凈的鑷子或專用藥匙操作;粉末樣品可采用振動藥匙的方法取樣;液體樣品則適合使用微量移液器。此外,保持樣品池和傳感器清潔,也是確保實驗質量的關鍵因素之一。
樣品類型
1.晶態固體樣品
對于一些晶態固體樣品來說,結晶性質至關重要。過度研磨可能破壞其結晶度,甚至引發反應(如研磨五水合硫酸銅可能生成堿式硫酸鹽),部分樣品在研磨時還存在爆炸風險。對此類樣品,可以采用以下方法處理:(1)將樣品在較低的溫度下盡可能地輕輕研磨;(2)通過揮發等方式濃縮溶液,使其樣品沉積在樣品盤中。若處理溫度低于實驗溫度,須盡快地去除溶劑。
2.粉末狀固體樣品
有機物、無機染料、復合物及填料等細粉末樣品,通常經過常規預處理后即可直接裝入樣品盤。細粉能與盤底良好接觸,并且一般能夠平整地壓實,通常易獲得理想的DSC結果。對于塊狀樣品(如礦物、穩定有機物),若研磨不會造成不利影響,可在盡可能避免污染的前提下仔細研磨樣品;若需研究顆粒尺寸的影響,可用一系列的分樣篩進行分級。
柔性聚合物和橡膠在玻璃化轉變溫度以上時極難進行研磨,可借助液氮冷卻使其脆化后再研磨。但需注意此過程可能會引入水分。也可用銼刀或砂紙直接磨取粗粉末。

圖1 塊狀樣品(左)與粉末狀樣品(右)在坩堝中的接觸狀態
3.多孔粉末和纖維樣品
低密度粉末、絮狀物或纖維容易在密封前從樣品盤中灑出。通常可使用以下兩種方法進行裝載:(1)將樣品置于與坩堝材質相同的金屬薄片(如鋁、鉑片)中心,然后將其折疊成小塊,將樣品封存在較小的空間中,接著放入樣品盤中,并在密封之前將其壓實;(2)在加蓋密封之前使用墊片或內蓋來固定加載樣品。
4.薄膜固體樣品
金屬與合金、聚合物、織物、復合材料或天然產物薄膜等,可制備成略小于樣品盤直接的圓片(可使用打孔器沖壓)。若沖壓后的圓片不平整,應在樣品盤內使用合適工具使其平整,以確保樣品和盤底充分接觸。
5.液體樣品和溶液樣品
可使用刻度注射器、微量進樣器或滴管,移取少量非揮發性液體至樣品盤中。需要注意,液體可能因表面張力擴散到樣品盤邊緣。對于液體混合物研究,建議先在盤外混合均勻,再移入樣品盤,避免液滴在盤內分離。
6.糊狀樣品和黏性液體樣品
由于糊狀物和黏性液體樣品具有較高的黏度,處理起來較為困難。較稀的糊狀物可參考液體樣品的操作;黏稠糊狀物則需用藥匙或刮刀轉移至盤內,并用扁平小棒將其壓平鋪展于盤底,該方法適用于黏稠的生物液體樣品(如淀粉懸浮液)以及一些半固態樣品(如軟蠟和焦油)。對于易過度鋪展的低表面張力流體,建議使用高邊緣坩堝。
7.揮發性液體樣品
易揮發樣品通常需在密封樣品盤或玻璃毛細管中進行測試,并在周圍空間填充導熱材料以保證良好的熱接觸。
樣品的物理形態(固態、粉末、液態、糊狀等)各異,需根據其特性選擇相應的制樣方法。所有預處理與裝載操作的核心,都在于確保樣品與樣品盤之間形成良好的熱接觸,盡可能降低熱阻,從而實現高效、均勻的熱量傳遞,這是保證實驗結果準確性與可重復性的關鍵。
DSC-790

圖2 中科熱儀DSC-790型差示掃描量熱儀(-150℃~700℃)
中科熱儀研制的DSC-790型差示掃描量熱儀,是一款基于熱流型測量原理的差示掃描量熱儀,配備高靈敏度的經典平面型熱流傳感器,具備準確可靠的量熱功能。溫度控制系統由高精度銀質加熱爐及配套的冷卻系統組成,冷卻系統的選擇可以根據應用所需的溫度范圍及降溫速率需求進行選擇。
DSC-790可應用于測試聚合物、復合材料、陶瓷、金屬、食品及藥物等領域,表征物質的玻璃化轉變溫度、熔融與結晶溫度、氧化誘導時間、固化度等熱力學及動力學參數。在具備準確、高效、簡潔易用等優勢的同時,具備豐富的配置,可以滿足不同領域的多種應用需求。
TAP-1T

為滿足熱分析實驗中多種技術——如熱重分析(TGA)、差示掃描量熱(DSC)、熱機械分析技術以及量熱技術——對特定形狀樣品制備的需求,中科熱儀研制了TAP-1T型多功能熱分析制樣機。該設備可兼容上述各類分析方法的制樣要求,實現標準化、高效率的樣品前處理。關于TAP-1T型多功能熱分析制樣機的更多信息,可查閱往期文章。
參考文獻:
[1] 丁延偉. 熱分析基礎,中國科技大學出版社,合肥:2020
往期內容:
熱分析樣品制備 “助手":TAP-1T多功能熱分析制樣機的基礎介紹(四)——在動態熱機械分析儀(DMA)中的應用
熱分析樣品制備 “助手":TAP-1T多功能熱分析制樣機的基礎介紹(三)——在靜態熱機械分析儀(TMA)中的應用
熱分析樣品制備 “助手":TAP-1T多功能熱分析制樣機的基礎介紹(二)——在熱重分析(TGA)實驗中的應用
熱分析樣品制備 “助手":TAP-1T多功能熱分析制樣機的基礎介紹(一)——核心功能與適配場景
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