在前兩期內(nèi)容中，我們分別了解了熱重分析和差熱分析，它們從不同角度為我們解讀了材料的熱特性。而差示掃描量熱法（DSC）作為量熱技術(shù)中的一員，在測量精度和定量分析方面有著獨特的優(yōu)勢。它能準確測量物質(zhì)在熱變化過程中的熱量變化，為材料研究提供更為精準的熱數(shù)據(jù)。本期，我們就來深入了解差示掃描量熱法。

圖1 中科熱儀DSC-790型差示掃描量熱儀

差示掃描量熱法（Differential Scanning Calorimetry，DSC）是在程序控制溫度和一定氣氛下，測量輸給試樣和參比物的熱流速率或加熱功率（差）與溫度或時間關(guān)系的一類熱分析技術(shù)。

與差熱分析（DTA）不同，DSC不僅能檢測到溫度差，還能定量測定熱效應(yīng)的大小。當樣品發(fā)生熱效應(yīng)時，為了維持樣品和參比物溫度相同，需要向樣品或參比物施加額外的熱量，這個額外熱量就是樣品的熱效應(yīng)量。通過記錄能量差與溫度（或時間）的關(guān)系曲線，即DSC曲線，我們可以清晰地了解樣品在不同溫度下的吸熱或放熱情況以及熱量的具體數(shù)值。

差示掃描量熱法主要有熱流式和功率補償式兩種。熱流式差示掃描量熱法（heat-flux type Differential Scanning Calorimetry，簡稱熱流式DSC），又稱為熱通量式DSC，是在按程序控制溫度和一定氣氛下，測量與試樣和參比物溫差相關(guān)的熱流速率與溫度或時間關(guān)系的一種差示掃描量熱技術(shù)。在對測量的溫度差進行適當?shù)臒崃炕蛘邿崃餍手螅ㄟ^實驗直接記錄樣品和參比物之間的溫度差作為熱流速率差的測量曲線成為DSC曲線。

功率補償式差示掃描量熱法（power-compensation type Differential Scanning Calorimetry，簡稱功率補償式DSC）是在程序控制溫度和一定氣氛下，通過對樣品端或參比端輸入電功率而使試樣和參比物溫度保持相等，測量輸給試樣和參比物的加熱功率（差）與溫度或時間關(guān)系的技術(shù)

差示掃描量熱儀也稱DSC儀，是在程序控制溫度和一定氣氛下，測量試樣和參比物的熱流速率或加熱功率（差）與溫度或時間關(guān)系的一種熱分析儀器。按照工作原理不同，DSC儀主要分為熱流式差示掃描量熱儀和功率補償式差示掃描量熱儀兩種類型。

1. 熱流式DSC

熱流式DSC是將樣品和參比物放在同一個加熱器上，在程序控溫下，樣品和參比物會通過熱傳導(dǎo)發(fā)生熱交換。儀器通過測量樣品和參比物之間的熱流差來確定熱效應(yīng)的大小。熱流式DSC結(jié)構(gòu)相對簡單、穩(wěn)定性好，在日常分析中應(yīng)用較為廣泛，尤其適用于對溫度范圍要求較寬的測量。

圖2 熱流式DSC儀器結(jié)構(gòu)圖

2. 功率補償式DSC

功率補償式DSC的特點是樣品和參比物分別由獨立的加熱器加熱，并且有各自獨立的溫度傳感器。當樣品發(fā)生熱效應(yīng)時，樣品與參比物之間會產(chǎn)生溫度差，此時儀器會通過調(diào)整加熱器的功率，使兩者的溫度重新達到平衡，所消耗的功率差就等于樣品的熱流率。這種類型的DSC響應(yīng)速度快、靈敏度高、適合測量較小的熱效應(yīng)。

圖3 功率補償式DSC儀器結(jié)構(gòu)圖

注：圖2和圖3引用自《熱分析基礎(chǔ)》/丁延偉編著.—合肥：中國科技大學出版社，2020.3

1. 熔融與結(jié)晶行為分析：解析材料物態(tài)變化規(guī)律

對于結(jié)晶性高分子材料（如聚乙烯、聚丙烯、尼龍）、金屬合金、礦物等，熔融溫度（T_m）、結(jié)晶溫度（T_c）、結(jié)晶度（X_c）是決定材料加工性能、力學性能、耐熱性的核心參數(shù)，為材料配方設(shè)計和加工工藝優(yōu)化提供指導(dǎo)。例如聚丙烯薄膜就是通過調(diào)整冷卻速率控制結(jié)晶溫度和結(jié)晶度，從而改善薄膜的透明度和拉伸強度。

下圖顯示了使用DSC-790型差示掃描量熱儀對聚合物PET熔融與結(jié)晶行為的表征。通過實驗得到的DSC曲線，可以清晰看到結(jié)晶峰和熔融峰變化以及相對應(yīng)的結(jié)晶溫度和熔融溫度。

圖4 聚合物PET熔融與結(jié)晶行為的表征

2. 氧化誘導(dǎo)期（OIT）研究：評估材料耐老化性能

氧化誘導(dǎo)期（Oxidation Induction Time，簡稱OIT）是指材料在特定溫度、有氧條件下，從開始受熱到發(fā)生氧化反應(yīng)的時間間隔，是衡量塑料、橡膠等高分子材料抗氧化穩(wěn)定性的關(guān)鍵指標。DSC通過監(jiān)測氧化反應(yīng)的放熱信號，精準測定OIT，預(yù)測材料在高溫環(huán)境下的使用壽命。OIT越長，說明材料抗氧化能力越強，耐老化性能越好。

下圖顯示了使用DSC測定聚合物的氧化誘導(dǎo)時間。在溫度達到210℃穩(wěn)定后，氣氛從氮氣切換到氧氣。當氧化反應(yīng)開始時，會產(chǎn)生放熱峰，從切換氣氛到放熱峰出現(xiàn)的時間即為OIT。

圖5 聚合物氧化誘導(dǎo)時間的測定

3. 固化度檢測：把控高分子材料交聯(lián)反應(yīng)進程

在環(huán)氧樹脂、聚氨酯、橡膠等需要通過交聯(lián)固化形成性能的材料中，固化度直接決定材料的力學強度、耐溫性、耐腐蝕性等關(guān)鍵性能。DSC通過檢測固化反應(yīng)的熱效應(yīng)，精準計算固化度，為生產(chǎn)工藝優(yōu)化和產(chǎn)品質(zhì)量控制提供依據(jù)。例如對用于印刷電路板基材的樹脂進行固化進程監(jiān)控，保證基材的耐高溫性和絕緣性能達標。

此外，DSC也用于玻璃化轉(zhuǎn)變溫度的測定和物質(zhì)的純度分析。玻璃化轉(zhuǎn)變溫度（T_g）是高分子材料從“玻璃態(tài)"向“高彈態(tài)"轉(zhuǎn)變的臨界溫度，直接影響材料的使用溫度范圍。高分子材料在玻璃化轉(zhuǎn)變前后，比熱容發(fā)生突變。這種比熱容突變會導(dǎo)致DSC曲線基線出現(xiàn)臺階式偏移（如圖4結(jié)晶峰出現(xiàn)前的臺階式偏移），偏移的中點溫度即為玻璃化轉(zhuǎn)變溫度。對于藥品、試劑、高純度工業(yè)原料，純度是衡量其質(zhì)量的核心指標，雜質(zhì)的存在會直接影響產(chǎn)品性能或使用安全性。DSC通過分析熔融峰的溫度與峰形，定量計算物質(zhì)純度，是一種高效、無損的純度檢測手段。