1、仪器简介

差示扫描量热法（DSC）这项技术一直被广泛应用。差示扫描量热仪既是一种例行的质量测试工具，也是一个研究工具。测量的是与材料内部热转变相关的温度、热流的关系。我公司的仪器为热流型差示扫描量热仪，具有重复性好、准确度高的特点，特别适合用于比热的精确测量。该设备易于校准，使用难度低，快速可靠，应用范围非常广，特别是在材料的研发、性能检测与质量控制上。材料的特性，如玻璃化转变温度、冷结晶、相转变、熔融、结晶、产品稳定性、固化/交联、氧化诱导期等，都是差示扫描量热仪的研究领域。我公司有多种类型差示扫描量热仪，客户根据实验参数以及实验需求选择不同的型号。

差示扫描量热仪应用范围有: 高分子材料的固化反应温度和热效应、物质相变温度及其热效应测定、高聚物材料的结晶、熔融温度及其热效应测定、高聚物材料的玻璃化转变温度等。不同型号的仪器，测试不同的指标。

2、产品特点：

2.1全新的炉体结构，更好的解析度和分辨率以及更好的基线稳定性仪器主控芯片；

2.2仪器可采用双向控制（主机控制、软件控制），界面友好，操作简便；

2.3采用 Cortex-M3 内核 ARM 控制器，运算处理速度更快，温度控制更加精准；

2.4采用 USB 双向通讯，操作更便捷,采用 7 寸 24bit 色全彩 LCD 触摸屏，界面更友好；

2.5采用专业合金传感器，更抗腐蚀，抗氧化；

2.6支持中/英文切换。

2.7原始数据保存，分析，分析之后数据保存。

2.8超高灵敏度，源自于更平的基线和更好的信噪比.

2.9支持温度校准，调入基线，多点校准.

2.10试验进行中，可查看实时数据。

2.11支持时间/温度，(热流率 dH/dt)/温度切换。

2.12智能软件可自动记录 DSC 曲线进行数据处理、打印实验报表.

2.13数据支持导出 txt,excel,bmp 图片格式

2.14支持曲线分析，平滑，放大，缩放功能。

2.15支持多曲线打开，便于实验的重复性比较。

3、仪器参数：

3.1 全新的炉体结构，更好的解析度和分辨率以及基线稳定性；

3.2 仪器下位机数据实时传输，界面友好，操作简便。

作为现代仪器分析方法的一个重要分支，热分析方法在许多领域中获得了越来越广泛的应用。在经历了一百多年的发展之后，热分析方法已经逐渐发展成为与色谱法、光谱法、质谱法、波谱法等仪器分析方法并驾齐驱的一类重要的分析手段。

热分析方法除了可以用来广泛地研究物质的各种转变(如玻璃化转变、固相转变等)和反应(如氧化、分解、还原、交联、成环等反应)之外，还可以被用来确定物质的成分、判断物质的种类、测量热物性参数(如热膨胀系数、比热容、热扩散系数)等。迄今为止，热分析方法已在矿物、金属、石油、食品、医药、化工等与材料相关的领域中获得了广泛的应用。

热分析是研究物质的物理过程与化学反应的一种重要的实验技术。这种技术是建立在物质的平衡状态热力学和非平衡状态热力学以及不可逆过程热力学和动力学的理论基础之上的，该方法主要通过精确测定物质的宏观性质如质量、热量、体积等随温度的连续变化关系来研究物质所发生的物理变化和化学变化过程。

根据所测量性质的不同，各种热分析技术之间也存在着不同程度的差异，通常根据其测量的性质来对每一种热分析技术进行分类。

我国于2008年5月发布并于2008年11月开始实施的国家标准《热分析术语》(GB/T6425—2008)对热分析技术的定义为：“在程序控制温度和一定气氛下，测量物质的某种物理性质与温度或时间关系的一类技术。”由该定义可见，由于所测量的物理性质(如质量、热效应、体积等)多种多样，因此衍生出了不同的热分析技术。

根据所测定的物理性质不同, 国际热分析与量热协会(International Confederation for Thermal Analysis and Calorimetry,ICTAC)将现有的热分析技术划分为9类17种，如表1.1所示。

表1.1  热分析技术分类

本章仅对热分析技术的定义和分类进行简要介绍，详细内容见第2章。

1.2 热分析技术的特点

如前所述，热分析技术主要被用来研究在一定气氛和程序控温作用下，物质的物理性质与温度或时间的变化关系。与其他分析方法相比，热分析技术具有如下特点。

1.2.1 热分析技术的优势

概括来说，热分析技术的优势主要表现在以下10个方面。

1.2.1.1对样品的要求不高，实验时样品用量较少

对于大多数固态和液态的物质而言，根据实验需要不做或稍做处理即可进行热分析实验。另外，与其他常规分析方法相比，热分析实验需要的样品量一般较少。随着仪器技术的发展，热分析实验所需要的样品量越来越少。例如,与早期仪器相比, 当前的热重仪可以用来检测质量低至0.1 mg 的样品随温度变化而发生的质量变化， 而几十纳克的样品也可以用来进行量热实验。微量量热实验所需样品的量更少, 如通过微量差示扫描量热实验可用来测定质量体积浓度为1×10-5g·ML-1的溶液中的相转变行为。

与传统分析方法相比, 使用热分析技术分析较少的样品能更真实地反映某些材料的热学特性。例如, 在加热过程中较大试样量存在试样内部与表面之间的温度差。当试样发生分解时，分解产物尤其是气体产物存在一个从内层向外层的扩散过程，在热分析技术中使用较少的试样量则可以更加方便地避免这种影响。图1.1为不同样品质量的低密度线性聚乙烯(LLDPE)的DSC实验曲2°。图1.1表明，在相同的加热速率下，样品的质量对LLDPE熔融峰的形状和位置均产生了不同程度的影响，这种差异是由于样品内部的温度梯度引起的。

需要特别指出的是，有时为了与样品的真实加热处理工艺相近，分析时会有意地加入更多的样品量，这样可以更加真实地反映试样在真实环境中的热行为。

使用热机械分析仪研究材料在不同温度下的机械性质时，通常需要使用具有规则形状的样品。例如，在ASTM E831-14标准中要求进行静态热机械分析实验时试样的长度应为2~10mm，且平行截面的端部的尺寸误差应在±25μm之内，横向尺寸不得超过10mm，这种尺寸要求仍远低于其他材料试验机对样品的要求。

1.2.1.2 灵敏度高

作为分析仪器的一个重要分支, 热分析技术具有灵敏度高的特点。一般来说, 灵敏度与仪器待测量的测量范围呈负和关的关系。灵敏度越高, 其量程越窄, 反之亦然。在进行实验时, 应根据研究目的选择具有合适的灵敏度的仪器。例如, 对于热重仪而言, 其灵敏度最高可达0.1μg,但天平的最大称质量一般不超过1g。虽然微量差示扫描量热仪的量热精度最高可达0.02μW, 但共温度范围一般不超过150℃。一些灵敏度高的等温量热仪的温度稳定性最高可达±10-4℃。用于静态热机械分析仪和动态热机械分析仪的力学测量精度最高可达0.001N，而位移的测量精度则可达0.1μm。对于常规热分析仪而言， 其主要采用热电偶测量温度，测温精度一般为±0.1℃。

1.2.1.3 可以连续记录所测量的物理量在所选择的实验条件下随温度或时间变化的曲线

与通过其他的光学、电学等分析方法测量材料的热性质不同, 通过热分析技术可得到试样的物理性质(如质量、热流、尺寸等)随温度(或时间)的连续变化曲线。由实验得到的曲线可以更加真实地反映材料的物理性质随温度(或时间)的连续变化情况，而通过传统的采用不同温度下等温测量的间歇式实验方法则容易遗漏材料的性质在温度变化过程中的一些重要信息。

图1.2为硬脂醇与棕榈酸混合物的DSC加热和冷却曲线。图中硬脂醇的加热曲线仅显示一个吸热峰，起始温度为58.1℃，对应于其从单斜有序的γ相到α旋转相的固-固转变与熔融转变的重叠过程。然而, 硬脂醇的冷却曲线却显示了两个放热峰。第一个放热过程的起始温度为57.8℃，该过程对应于从熔融态到α旋转相的转变过程。该过程的过冷度可以忽略不计，而从γ相到α相的固-固转变则显示出5℃的过冷度。这充分表明通过DSC曲线可以实时记录下物质在温度发生变化时所经历的结构转变过程。

1.2.1.4通过温度调制技术可以测量同时发生的两个转变

20世纪90年代初，英国学者 M. Reading 最先提出温度调制技术。该技术最早应用于差示扫描量热仪，即温度调制差示扫描量热法(Temperature-Modulated Differential Scanning Calorimetry，TMDSC)。使用该技术可以对两个同时发生的转变进行测量。现在这种技术也可应用于热重分析法和静态热机械分析法中。这两种方法中的温度调制技术与TMDSC有很大的差别，将在本书的相关章节中进行详细的阐述。

1.2.1.5 测量温度范围宽

当前可以用热分析技术测量最低为8K的极低温下热性质(如比热、热流、热扩散系数、热膨胀系数等)的变化。在高温测量方面，通过一些特殊用途的热分析仪可以测量高达2800℃ 的温度变化。也就是说, 热分析技术可以用来测量-265~2800 ℃范围内的热性质的变化。显然，仅通过一台热分析仪器很难测量如此宽广的温度范围内的性质变化, 研究人员通常通过缩小仪器的工作温度范围来提高仪器的测量精度。例如，高灵敏度的微量差示扫描量热仪的温度测量范围一般为-10~130℃。此外，用来研究高温下材料热分解的热重-差热分析仪或热重-差示扫描量热仪的量热精度也远低于单一功能的差示扫描量热仪。

1.2.1.6 温度控制方式灵活多样

热分析技术可以在程序控制温度和一定气氛下测量材料的物理性质随温度或时间的变化。在实验过程中，如果试样发生了至少一个从特定的温度(甚至环境温度)到其他指定温度的变化，则在指定温度下进行的等温实验属于热分析的范畴。如果实验仅在室温环境下进行，则该类实验不属于热分析。

温度变化(temperature altcration)意味着可以实现预先设定的温度(程序温度)或样品控制温度的任何温度随时间的变化关系。其中,样品控制的温度变化是指利用来自样品的性质变化的反馈信息来控制样品所承受的温度的一种技术。

其中，程序控制温度的变化方式主要分为以下几种：①线性升/降温，如图1.3(a)和图1.3(b)所示；②线性升/降温至某一温度后等温，如图1.3(c)和图 1.3(d)所示;③在某一温度下进行等温实验，如图1.3(e)所示；④步阶升/降温，如图1.3(f)和图1.3(g)所示；⑤)循环升/降温，如图1.3(h)所示；⑥以上几种方式的组合，如图1.3(i)所示。

需要说明的是, 以上这些温度变化过程可以通过仪器的控制软件实时记录下来, 这是热分析技术有别于其他分析方法的主要优势之一。

1.2.1.7 可以在较短的时间内测量材料的物理性质随时间或温度的变化

对于热分析技术而言， 完成一次实验所需时间的长短取决于具体的温度控制程序。日前商品化的热分析仪器的最快升温和降温速率各有不同。例如, 热重仪可以实现的瞬时最快升温速率可以达到2000℃·min-1, 最快线性加热速率为 500℃·min-1。梅特勒-托利多公司的闪速差示扫描量热仪(Flash DSC)的最快升温速率可以达到 24000000℃·min-1，与此相对应，对于一台比较稳定的热分析仪器而言，可以很容易实现低于1℃·min-1的温度变化速率。

实验时采用的温度变化程序取决于具体的实验需要。对于较慢的温度变化速率而言，其耗时很长。除非特殊的实验需要，在热分析技术的实际应用中很少采用低至2℃·min-1的温度变化速率。微量量热法属于例外的情形。对于微量量热法而言, 由于实验时所用的试样(大多为溶液)量较大，因此所采用的加热/降温速率大多十分缓慢。常用的加热/降温速率一般为0.1~1℃·min-1，有时还会采用更低的加热/降温速率，如每小时几摄氏度的温度变化速率。

1.2.1.8 可以灵活地选择和改变实验气氛

对于大多数物质而言，与试样接触的气氛十分重要，使用热分析技术可以比较方便地研究试样在不同的实验气氛下的物理性质随温度或时间的变化信息。

气氛一般可以分为静态气氛和动态气氛两种。

静态气氛主要指三种类型：①常压气氛，即实验时不通入其他的气体； 高压或低压气氛，即在试样周围充填静态的气氛气体；③真空气氛。

动态气氛主要可以分为：①氧化性气氛，如氧气；②还原性气氛，如H2、CH4、CO、C2H4、C2H2等；③惰性气氛，如N2、Ar、He、CO2等；④腐蚀性气氛，如SO2、SO3、NH3、NO2、N2O、HCI、Cl2、Br2等；⑤其他反应性气氛，即在实验时根据需要通入可能与试样或产物发生化学反应的气体。需要说明的是，对于有些过程而言，在③中所列的惰性气氛是相对的，例如，对于大多数物质而言，CO2是惰性气体；而对于一些氧化物如CaO等而言，在一定温度下会与CO2发生反应生成CaCO3。再如，N2在高温下会与一些金属发生反应而形成氮化物。因此，在实际实验中选择实验气氛时，气氛的反应活性应引起足够的重视。

实验时，应根据实际需要来灵活选择实验气氛。在现代化的大多数商品化的仪器中，可以通过仪器的控制软件十分灵活地在设定的温度或时间下切换气氛种类及流量。

例如，对于一个试样的热分析实验而言，可以在一台配置了质量流量计的仪器上通过其控制软件来方便地实现以下的实验条件：

(1)在N2气氛流速为50mL·min-1下，以10℃·min-1的加热速率由室温升温至600℃；

(2)在等温 30 min 后氮气流速由50mL· min-1增加至 100mL·min-1，继续等温30 min;

(3)以5℃·min-1的加热速率升温至800℃，等温30min；

(4)实验气氛由N2切换为 70%N2+30%O2(流速为50mL·min-1), 继续等温60min;

(5)实验气氛再切换至N2，流速为100mL·min-1，等温30min；

(6)以10℃·min-1的加热速率升温至1000℃.等温30min。

1.2.1.9 可以相对方便地得到转变或分解的动力学参数

在热分析技术中，通过改变加热/降温速率(一般为3~5个速率)测量材料的物理性质随温度或时间的变化，根据相应的动力学模型可以得到相应的动力学参数(如指前因子A、活化能E。、反应级数或机理函数)。对于等温实验而言，一般通过测量材料在不同温度下(一般为3~5个等温温度)的实验曲线来得到动力学参数。在本书的相关章节中将详细阐述相关的动力学分析方法。

1.2.1.10 方便与其他实验方法联用

在现代分析方法中，仅通过一种方法得到的信息是有限的，并且实验操作也十分繁琐和耗时，样品的消耗量也较大。另外, 在对由多种方法进行独立实验所得到的结果进行对比时也很难得到相对一致的结论。例如，对试样在高温时分解得到的气体产物进行实时分析时，如果把高温的分解产物富集后再用光谱、色谱或质谱的方法对其进行分析, 由于温度的急剧变化会引起部分产物发生冷凝或进一步的反应, 在此基础上得到的分析结果往往不能反映气体产物的真实信息。

如果采用热分析技术与光谱、色谱或质谱等技术进行联用的方法, 则可以实时地对分解产物的浓度和种类变化进行在线分析。图1.4 为由 TG/MS方法得到的CaC2O4·H2O在氩气氛下的热分解行为的实验曲线。由该图可见，在110~150℃范围内，在热重曲线上出现了一个约5%的失重过程，图中的MS曲线显示第一阶段中的质量损失是由于H2O(m/z(荷质比)=18)引起的。在第二阶段中主要检测到了一氧化碳(m/z=28)和较少量的二氧化碳(m/z=44)，而在第三阶段中则主要检测到了二氧化碳和少量的一氧化碳。

当在氧气中(图1.5)而不是在氩气中加热CaC2O4·H2O时，在分解的第二步所对应的过程结束时的质量下降非常明显。这可以归因于CO部分氧化成了二氧化碳，当这一步反应开始时通常会加快第二步的反应速率，由此就会导致在氩气中二氧化碳的量也比一氧化碳的量高。

表1.2中列出了目前可以实现的热分析联用方法，在本书第10章中将阐述这些方法的工作原理及应用领域。

表1.2  常用的热分析联用方法

注：①间歇联用法可以看做串接联用法中的一种，由于其分析对象为某一温度或时间下的气体产物，且其分析时间较长，故单独将其列为一种联用方法

②由于同步热分析目前以一种独立的仪器形式存在，STA与质谱和红外光谱的联用形式通堂归于串接式联用法。

1.2.2 热分析方法的局限性

以上列举了热分析技术相对其他分析方法的优势，然而热分析技术作为一种唯象的宏观性质测量技术，其本身还存在着一定的局限性。在应用该类方法时，使用者必须清醒地认识到这些局限性，以免在方法选用和数据分析时误入歧途。

一般来说，热分析方法主要存在着以下局限性。

1.2.2.1 方法缺乏特异性

由热分析技术得到的实验曲线一般不具有特异性。例如，在使用差热分析法分析试样的热分解过程时，若一个试样在分解过程中同时伴随着吸热和放热两个相反的热过程，则在最终得到的DTA曲线上有时会只呈现出一个吸热或放热过程，曲线的形状取决于这两个吸热和放热过程的热量的大小。如果吸热过程的热量大于放热过程的热量，则DTA曲线最终会表现为吸热峰，反之放热峰。如果这两个相反的过程不同步，但温度相近，得到的DTA曲线会发生变形，呈现不对称的“肩峰”现象。一般通过改变实验条件或与其他方法联用来克服热分析技术的这一局限性。

1.2.2.2 影响因素众多

如前所述，在测量材料的物理性质时，在实验中可以改变温度和气氛等实验条件。然而，在实际的实验中，温度的变化方式(加热速率和加热方式)和实验气氛(包括气体种类和流速)等均会对试样在不同温度或时间时的性质变化产生不同程度的影响。此外，试样的状态(如尺寸、形状、规整度等)和用量也对实验曲线有不同程度的影响。值得注意的是，除了以上几种因素之外，在实验时采用的仪器结构类型、热分析技术种类(如热重法、差热分析、热机械分析等)以及不同的操作人员等因素均会给实验结果带来不同程度的影响。

客观地说，热分析技术的这些影响因素给数据分析和具体应用带来了不少麻烦。但是任何事物都具有两面性，热分析技术的这些影响因素恰恰反映了其自身的灵活性和多样性,实验时可以通过改变实验条件来分析这些因素对实验结果的影响程度, 从而可以深入探讨试样在不同条件下物理性质的变化, 使研究者对试样在不同温度或时间下的性质变化规律有更深入的理解，获得试样在不同的温度下与性质相关的更多信息。例如，很多非等温热分析动力学方法主要通过获取三条以上不同的加热/降温曲线，并由此得到转变或分解过程的动力学信息。

1.2.2.3曲线解析复杂

如上所述，热分析实验受到实验条件(主要包括温度程序、实验气氛、制样等)、仪器结构等的影响，由此得到的曲线之间的差异也很大。在实验结束后对曲线进行解析时，应充分考虑以上影响因素，对于所得到的曲线进行合理的解析。在本书的相关章节中，将结合实例对曲线的解析方法进行阐述。

1.3 热分析仪器的组成

当前的商品化热分析仪主要由仪器主机(主要包括程序温度控制系统、炉体、支持器组件、气氛控制系统、物理量测定系统)、辅助设备(主要包括自动进样器、湿度发生器、压力控制装置、光照、冷却装置、压片密封装置等)、仪器控制、数据采集及处理组成。

热分析仪的结构框图如图1.6所示。

在本书第5章中将详细介绍热分析仪器的每一组成部分及其功能。

1.4 热分析技术的应用领域

热分析技术自问世至今已有一百多年的历史，在过去的一百多年中，经过几代人的努力，目前热分析仪器已经日趋成熟，其在各个领域的应用也逐渐日益扩大并向更深层次发展。现在热分析技术从最初应用于黏土、矿物以及金属合金领域至今已经扩展到几乎所有与材料相关的领域。在所有学科门类中，热分析技术在历史学(主要为科技考古领域)、理学、工学、农学、医学等学科中有广泛的应用。

在一级学科中，热分析技术已经在考古学、物理学、化学、地理学、地质学、生物学、力学、材料科学工程、冶金工程、动力工程及工程热物理、建筑学、化学工程与技术、石油与天然气工程、纺织科学与工程、环境科学与工程、生物医学工程、食品科学与工程、生物工程、安全科学与工程、公安技术、作物学、畜牧学、水产、草学、林学、药学、中药学、军事装备学等学科中得到了不同程度的应用，当前热分析技术应用较多的是物理学、化学、生物学、地质学、环境科学与工程、化学工程学等学科中与材料相关的石油、冶金、矿物、土壤、纤维、塑料、橡胶、食品、生物化学、物理化学等领域。

1.5 热分析技术的发展前景展望

未来热分析仪器的发展将主要在以下几个方面有所突破。

1.5.1提高仪器的准确度灵敏度以及稳定性

提高仪器的灵敏度和稳定性是热分析仪器研发人员多年来一直努力的目标, 随着电子技术和自动化技术的发展，这些性能指标还有进一步提升的空问。

1.5.2 扩展仪器功能

对于任何一种商品化的分析仪器而言，在实际的应用过程中应结合实际的需求来对仪器的功能进行拓展。对于绝大多数热分析仪器而言，主要从以下几个方面来拓展其功能：

(1)在不影响灵敏度的前提下拓宽温度范围；

(2)可实现超快的加热/降温速率、温度调制、热惯性小的快速等温实验：

(3)配置自动进样装置来提高仪器的利用率；

(4)开发适用于仪器的光照装置、温度控制装置、高压实验装置、真空实验装置、电磁场装置等特殊用途的实验附件。

1.5.3加强并推广与其他分析方法的联用

目前，热分析仪已经实现了与红外光谱、质谱、气相色谱、气相色谱/质谱联用仪、拉曼光谱、显微镜、X射线衍射仪等技术的联用。由于联用时连接部件的不完善以及成本和应用领域等多方面的限制，联用技术自20世纪五六十年代出现以来，直到近二十年才开始快速发展。由于这类方法的功能较常规仪器强大，因此其有着十分远大的发展前景。

1.5.4 拓展软件功能

随着计算机的硬件和软件的飞速发展,实验数据的记录和分析显得越来越方便。随着热分析技术在不同领域的应用不断深入，人们对热分析的数据处埋的要求尤其是动力学方法对软件的要求越来越高。

日前虽然存在一些商品化的动力学分析软件，但由于动力学方法本身的复杂性和快速发展，一款成型的商品软件很难满足大多数的要求，这就要求商品化的动力学软件具有较为强大的功能并且可以及时地反映出动力学的最新发展情况。

1.5.5 开发可以满足特殊领域需求的新型热分析仪

为了满足一些特殊的测试需求，近年来不断出现新型的热分析仪，如Mettler Toledo 公司推出的一种可以实现每分钟几百万摄氏度加热速率的闪速差示扫描量热仪。这些仪器有的已经实现商品化, 有的仅限于实验室使用, 使用这些新型仪器完成的科研论文在一些学术期刊中经常可以见到。

1.5.6 在不影响仪器性能的前提下减小仪器的体积、节约成本、提升产品的竞争力

美国 TA 仪器公司于2010年推出了Discovery系列热分析仪器，仪器的电路部分适用于热重分析仪、热重-差热分析仪、差示扫描量热仪、静态热机械分析仪和动态力学热分析仪，可以实现几台仪器共用一种控制单元，这样对于需要购买多台仪器的用户降低了成本，提升了仪器的竞争力。TA公司的这种方法代表了今后分析仪器的一种发展趋势。

随着科学研究的进一步发展，热分析技术有望在一些较新的领域中发挥其独特的作用。我们有充分的理由相信，在全球热分析工作者的共同努力下，热分析技术将继续保持现有的高速发展势头，其在各领域中将得到更加广泛和深入的应用。