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差示掃描量熱法(DSC)快速測(cè)定聚合物的結(jié)晶度

嘉峪檢測(cè)網(wǎng)        2020-08-13 10:56

1、DSC在聚合物測(cè)試領(lǐng)域的應(yīng)用介紹

 

聚合物的結(jié)晶度對(duì)熔點(diǎn)、密度、磁導(dǎo)率和儲(chǔ)能模量等聚合物的物理性能有很大的影響。因此,了解聚合物的結(jié)晶度顯得尤為重要。通過對(duì)聚合物結(jié)晶度的直接測(cè)量,在獲得聚合物基本屬性的同時(shí),也可以從中預(yù)測(cè)其他物理性質(zhì)。

 

差示掃描量熱法(Differential Scanning Calorimetry,DSC)是一種相對(duì)于時(shí)間或溫度測(cè)量流入或流出材料的熱流的方法。聚合物結(jié)晶度可以用DSC通過量化與聚合物熔融相關(guān)的熱量來測(cè)量。

 

通過相對(duì)于已知結(jié)晶度的聚合物進(jìn)行對(duì)比以獲得相對(duì)值,或者通過相對(duì)于100%結(jié)晶性聚合物樣品的熔融熱進(jìn)行比例來以結(jié)晶度百分比形式來評(píng)估熱量。

 

2、DSC測(cè)試原理及結(jié)果分析

 

DSC由一個(gè)帶有凸起平臺(tái)的熱電盤組成,在該平臺(tái)上放置了參比物(通常是一個(gè)空盤)和一個(gè)裝有樣品的金屬盤。當(dāng)熱量通過磁盤傳遞時(shí),通過區(qū)域熱電偶監(jiān)控到樣品和參比樣品的差熱流。樣品溫度可以通過樣品熱電偶直接監(jiān)控。預(yù)熱的吹掃氣體的存在除了提供所需的樣品與大氣相互作用之外,還提供了額外的基線穩(wěn)定性。

 

本文示例研究并描述了在環(huán)境溫度至180°C范圍內(nèi)對(duì)聚乙烯樣品的DSC分析。程序升溫速率為每分鐘5°C,樣品環(huán)境由氮?dú)饨M成。由于先前的聚合物熱歷史會(huì)影響所測(cè)量的結(jié)晶度,因此樣品應(yīng)“按原樣”進(jìn)行測(cè)試,并在“熱處理”后對(duì)所有三個(gè)樣品提供相同的熱歷史。熱處理包括將樣品以10°C/分鐘的速度加熱到180°C,然后以5°C /分鐘的速度控制冷卻到環(huán)境溫度。

 

初始“按原樣”加熱后,其中一個(gè)聚乙烯樣品的熔融吸熱曲線如圖1所示。使用DSC標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)分析軟件進(jìn)行分析,對(duì)于100%結(jié)晶材料焓值290J/g,計(jì)算結(jié)晶度%。下表1顯示了三個(gè)樣品的測(cè)試結(jié)果。

 

差示掃描量熱法(DSC)快速測(cè)定聚合物的結(jié)晶度

圖1 加熱后聚乙烯樣品的熔融吸熱

 

表1三個(gè)聚乙烯樣品的DSC測(cè)試結(jié)果

差示掃描量熱法(DSC)快速測(cè)定聚合物的結(jié)晶度

 

經(jīng)過“熱處理”之后,三種聚合物顯示出與最初獲得的不同的結(jié)晶度。其中樣品1和2的結(jié)晶度和熔體曲線相似,表明兩種聚合物都經(jīng)受了相似的加工條件。但樣品3表現(xiàn)出較尖銳的熔融度和較低的結(jié)晶度,說明其具有不同的加工條件。與初始結(jié)晶度相比,熱處理后的三種聚合物的結(jié)晶度不同,結(jié)果如下表2所示。


表2 經(jīng)過熱處理后聚乙烯樣品的DSC測(cè)試結(jié)果

差示掃描量熱法(DSC)快速測(cè)定聚合物的結(jié)晶度

 

3、DSC在碳纖維復(fù)合材料領(lǐng)域應(yīng)用

 

差示掃描量熱法(DSC)快速測(cè)定聚合物的結(jié)晶度

測(cè)試設(shè)備DSC

 

DSC在碳纖維及其復(fù)合材料領(lǐng)域的典型應(yīng)用包括:利用DSC對(duì)PAN原絲放熱行為進(jìn)行分析從而為后續(xù)熱處理提供工藝指導(dǎo);利用DSC對(duì)碳纖維復(fù)合材料進(jìn)行分析可以精確測(cè)試復(fù)合材料中碳纖維體積含量,測(cè)試實(shí)例如下圖4所示。

 

差示掃描量熱法(DSC)快速測(cè)定聚合物的結(jié)晶度

圖4 利用DSC測(cè)試復(fù)合材料中碳纖維含量實(shí)例

 

上圖為碳纖維復(fù)合材料在空氣氛圍中加熱到700℃得到曲線,400℃、500℃左右樹脂燃燒分解失重明顯,而由于碳纖維在低溫環(huán)境下不會(huì)存在質(zhì)量損失,因此經(jīng)計(jì)算得到復(fù)合材料中碳纖維含量61.7%。

 

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來源:錢鑫/碳纖維及其復(fù)合材料

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