分析DSC测试中样品内部的温度分布及其对比热测试的影响

摘 要：基于傅里葉导热定理相关内容的合理应用，提出计算聚合物样品内分布温度的有效方式，计算结果当中明确温度的诋毁会因为样品本身的厚度以及升温速度的上升而上升，1.0mm规格的样品基于1K/min降温之后基于10K/min的速度进行升温，这个过程当中其内部的最大温差数值是0.882K，基于此对聚合物样品的不同厚度、热处理环境中比热计算方式进行测定，结果表明二者基本上是一致的。

关键词：DSC;测试;样品内部;温度分布;热测试

DSC能够对程序温度状态下的材料热焓变化情况进行测试，其在材料热性能形式探究方面的应用非常广泛，其中包含反应动力学以及相变等，同时更能够应用在聚合物玻璃化转变动力学、热力学等诸多方面的探究当中，聚合物在热导方面的成效并不好，升温速率快的时候，样品当中的温度会出现之后，也就会形成温度分布，这会对DSC测试结果产生影响。

1 阐释实验背景

相关探究者基于聚合物样品当中位置不同的标准金属熔点测定，对其中的温度分布情况进行预估，对厚度不同的PC夹层金属In熔点进行测定，其处在20K/min的升温速率状态之下，当其距离坩埚底部0.3mm的时候，和挨着坩埚进行防治的熔点要高出大概2.5℃，也就是说PC样品厚度为0.3mm的时候，其会形成温度梯度，可是由于In在熔融过程当中会吸收很多热量，其会让聚合物温度梯度随之增加，所以熔点变化无法将纯聚合物的温度分布相关情况全面反映出来。遵照相关模型的构建，在进行DSC测试的时候，如果固定升降温的速率比保持不变，测试结果说明其吸热峰会因为升温速率的增加而逐渐变得更宽、更矮。同时也有的研究者认为这是因为温度梯度导致的，也随之提出了校正峰宽对温度梯度进行估算的方式，并且基于模型构建对样品内外温差进行实际计算，如果PS的厚度是0.75mm，如果其升温速率是10K/min，温差就是0.384K，可是相关探究者在实际计算党总并未将样品不同位置由于焓松弛状态的差异存在比热不同的因素考量其中，这会影响计算结果的精准程度，同时也无法得到温度分布方面的数据信息[1]。相关工作者对聚合物样品进行分层，如果层内温度相同而层际间存在温差，计算获得聚合物当中的温度分布，橡胶态的时候，样品温差大概是玻璃状态温差的2倍左右，PEI样品厚度是1.0mm的时候，基于0.1K/min进行降温处理，之后在基于10K/min进行升温，这个时候其内外温差的最大数值是1.2K，如果样品在玻璃态与橡胶态的时候不会伴随温度变化而变化，同时并未将比利华转变中的极大数值进行全面考量，那么也就是说虽然能够在相关文献当中获得温度分布理论的结果，可是却并未给予实验对相关数据进行验证。事实上，很多研究者的探究结果都存在很大差异，计算方式方面也存在很多漏洞，所以文中对DSC测试当中聚合物中温度分布情况进行重新考察，这是非常必要而可行的。

2 实验部分

PS样品的生产厂家是天津阿法爱莎公司，其规格是MW是5*104，PDI是1.06，并未进行其他处理。对PS进行精准称量，同时把其置于铝制的坩埚当中，让其表面尽量保持平整，盖上铝制的密封盖，之后将其加热到200℃，恒温1min之后进行压实，使用测厚仪对样品的厚度进行测量，得到数值为0.1-0.6mm，其同PS密度与DSC坩埚直径的计算数值基本上是一致的。之后进行DSC测试，先基于10K/min进行加热，当其温度为200℃的时候，恒温5min将热历史消除掉，再基于1K/min进行降温，当其温度降为-50℃的时候进行立即升温，将温度上升到200℃，其升温速率是10K/min，或者是100K/min，N2予以保护。

3 计算样品内的温度分布

如果样品聚合物是圆柱体的，把其平均划分成n层，每层中的内部温度都是相等的。因为上、下表面都是和铝制坩埚、铝盖接触的，铝材质有良好的热导性能，也就是说其温度和程序温度是相同的。样品聚合物的热导性能偏低，所以其层际之间是存在温差的。基于计算机程序进行实际计算，遵照降温操作中归一化比的数值大小进行分别设定，保证步长不会对计算结果产生显著影响，基于此确保温度分布与比热测试所得数值的精准性与有效性[2]。

3.1 PS样品当中的温度分布

基于多个厚度不同的PS样品参数进行模型构建，对样品实验的结果进行拟合，分出最优的数值，遵照对应的方式进行实际计算，明确当厚度与升温条件都不同的北京之下，PS内部温度分布的具体情况。PS样品的厚度是1.0mm，经过1K/min的速率进行降温，之后基于10K/min进行加热，得到其内部温度分布情况，能够获悉，样品当中的温度属于对称分布，中心层和表层之间的温度差值最大，也就是说由于假设上、下表面是相同温度，温度分布会因为程序温度的变化而产生变化。样品层不同，其升温速率也是不用的，表层升温率和程序设定是一致的，即10K/分做梦和，样品内部处在玻璃状态与橡胶状态的时候，其升温速率都比10K/min要低，在玻璃化的转变过程当中，升温速率是先降低而后升高的，在进入到橡胶状态之后，又转变成比10K/min略低，这是由于样品当中的温度分布伴随温度变化，致使不同分层产生波动变化的升温速率。距离表层越远，其升温速率产生的波动数值也就越大。

程序温度不同的前提下，样品处在橡胶状态的时候，其温差会比玻璃状态大，样品温差处在玻璃状态与橡胶状态的时候也会伴随温度而产生变化，在玻璃化的转变中温差会产生极大值，玻璃化的转变过程当中，产生温差极大值是由于在这个过程当中，样品比热产生极大值，致使导温系数产生了极小值。

升温速率以及样品的厚度都会影响样品内部的温度分布情况，厚度不同的PS样品，基于1K/min降到-50℃以后，再基于不同速率进行升温是产生的最大温差数值，也就是说样品本身的厚度与升温速率等都会对最大温差数值产生显著影响，PS样品厚度为1.0mm，基于100K/min进行升温加热的时候，最大的温度差值为8.18K。通常情况下，DSC测试当中的聚合物质量是5mg-10mg，样品的厚度大概是0.17-0.33mm，如果升温的速率地域20K/min，那么遵照一定的计算方式能够获得最大温差数值，改改是0.21℃。而针对其他不同形式的聚合物，最大温差数值并不大，样品当中的温度分布可直接忽略不计。而大多数时候，样品内部的温度分布无法直接进行测定，DSC测试所得的结果就是样品比热数据，因此依然还需要对样品实测比热数据进行求取。

3.2 比热数据

对不同厚度的PS样品进行DSC实测，能够获悉入伙升温速率是10K/min，样品厚度在0.1-0.6mm间，其并不会对测试结果产生明显影响[3]。当升温速率为100K/min的时候，因为温度梯度快速增加，厚度不同的PS样品会呈现出明显差别。在升温速率不同的状态之下，理论计算所得数值和测试所得的数值基本上是一致的，也就是说，文中在DSC测试当中计算的聚合物样品内部温度分布数值是可靠的，而这在聚合物焓松弛与玻璃化状态转变的动力学探究当中具有重要作用。

4 结束语

综上所述，文中基于傅里叶传热定理与松弛模型对DSC测试当中聚合物样品当中的温度分布方式进行计算，PS样品计算结果表明在橡胶态的时候，其温差高于玻璃状态，在玻璃化的转变中，温差会产生极大值，样品厚度与升温速率的增加，会让温度梯度也随之迅速增大，常规的DSC测试当中，等特征温度测试的结果并不会产生严重影响，并且基于此提出比热的归一化计算方式，获得的计算记过和实测数据数值基本上是一致的。

参考文献：

[1]庞承焕，吴博，黄险波，等.DSC测试玻璃化转变温度的优化方法[J].合成材料老化与应用，2019，48（03）：23-25.

[2]杨来琴.采用DSC快速测试聚乙烯密度的方法研究[J].橡塑技术与装备，2019（01）.

[3]江海平.镍铁纳米合金的居里温度及有序-无序转变温度的尺度及成分效应[D].南京：南京大学，2018.

作者简介：

许青梅（1974- ），女，汉族，籍贯：甘肃省榆中人，学历：专科，毕业于西北师范大学，现有职称：中级工程师，研究方向：精细化工安全风险评估。