量热与热分析（四）：差示扫描量热法（DSC）

在前两期内容中，我们分别了解了热重分析和差热分析，它们从不同角度为我们解读了材料的热特性。而差示扫描量热法（DSC）作为量热技术中的一员，在测量精度和定量分析方面有着独特的优势。它能准确测量物质在热变化过程中的热量变化，为材料研究提供更为精准的热数据。本期，我们就来深入了解差示扫描量热法。

图1 中科热仪DSC-790型差示扫描量热仪

差示扫描量热法（Differential Scanning Calorimetry，DSC）是在程序控制温度和一定气氛下，测量输给试样和参比物的热流速率或加热功率（差）与温度或时间关系的一类热分析技术。

与差热分析（DTA）不同，DSC不仅能检测到温度差，还能定量测定热效应的大小。当样品发生热效应时，为了维持样品和参比物温度相同，需要向样品或参比物施加额外的热量，这个额外热量就是样品的热效应量。通过记录能量差与温度（或时间）的关系曲线，即DSC曲线，我们可以清晰地了解样品在不同温度下的吸热或放热情况以及热量的具体数值。

差示扫描量热法主要有热流式和功率补偿式两种。热流式差示扫描量热法（heat-flux type Differential Scanning Calorimetry，简称热流式DSC），又称为热通量式DSC，是在按程序控制温度和一定气氛下，测量与试样和参比物温差相关的热流速率与温度或时间关系的一种差示扫描量热技术。在对测量的温度差进行适当的热量或者热流校准之后，通过实验直接记录样品和参比物之间的温度差作为热流速率差的测量曲线成为DSC曲线。

功率补偿式差示扫描量热法（power-compensation type Differential Scanning Calorimetry，简称功率补偿式DSC）是在程序控制温度和一定气氛下，通过对样品端或参比端输入电功率而使试样和参比物温度保持相等，测量输给试样和参比物的加热功率（差）与温度或时间关系的技术

差示扫描量热仪也称DSC仪，是在程序控制温度和一定气氛下，测量试样和参比物的热流速率或加热功率（差）与温度或时间关系的一种热分析仪器。按照工作原理不同，DSC仪主要分为热流式差示扫描量热仪和功率补偿式差示扫描量热仪两种类型。

1. 热流式DSC

热流式DSC是将样品和参比物放在同一个加热器上，在程序控温下，样品和参比物会通过热传导发生热交换。仪器通过测量样品和参比物之间的热流差来确定热效应的大小。热流式DSC结构相对简单、稳定性好，在日常分析中应用较为广泛，尤其适用于对温度范围要求较宽的测量。

图2 热流式DSC仪器结构图

2. 功率补偿式DSC

功率补偿式DSC的特点是样品和参比物分别由独立的加热器加热，并且有各自独立的温度传感器。当样品发生热效应时，样品与参比物之间会产生温度差，此时仪器会通过调整加热器的功率，使两者的温度重新达到平衡，所消耗的功率差就等于样品的热流率。这种类型的DSC响应速度快、灵敏度高、适合测量较小的热效应。

图3 功率补偿式DSC仪器结构图

注：图2和图3引用自《热分析基础》/丁延伟编著.—合肥：中国科技大学出版社，2020.3

1. 熔融与结晶行为分析：解析材料物态变化规律

对于结晶性高分子材料（如聚乙烯、聚丙烯、尼龙）、金属合金、矿物等，熔融温度（T_m）、结晶温度（T_c）、结晶度（X_c）是决定材料加工性能、力学性能、耐热性的核心参数，为材料配方设计和加工工艺优化提供指导。例如聚丙烯薄膜就是通过调整冷却速率控制结晶温度和结晶度，从而改善薄膜的透明度和拉伸强度。

下图显示了使用DSC-790型差示扫描量热仪对聚合物PET熔融与结晶行为的表征。通过实验得到的DSC曲线，可以清晰看到结晶峰和熔融峰变化以及相对应的结晶温度和熔融温度。

图4 聚合物PET熔融与结晶行为的表征

2. 氧化诱导期（OIT）研究：评估材料耐老化性能

氧化诱导期（Oxidation Induction Time，简称OIT）是指材料在特定温度、有氧条件下，从开始受热到发生氧化反应的时间间隔，是衡量塑料、橡胶等高分子材料抗氧化稳定性的关键指标。DSC通过监测氧化反应的放热信号，精准测定OIT，预测材料在高温环境下的使用寿命。OIT越长，说明材料抗氧化能力越强，耐老化性能越好。

下图显示了使用DSC测定聚合物的氧化诱导时间。在温度达到210℃稳定后，气氛从氮气切换到氧气。当氧化反应开始时，会产生放热峰，从切换气氛到放热峰出现的时间即为OIT。

图5 聚合物氧化诱导时间的测定

3. 固化度检测：把控高分子材料交联反应进程

在环氧树脂、聚氨酯、橡胶等需要通过交联固化形成性能的材料中，固化度直接决定材料的力学强度、耐温性、耐腐蚀性等关键性能。DSC通过检测固化反应的热效应，精准计算固化度，为生产工艺优化和产品质量控制提供依据。例如对用于印刷电路板基材的树脂进行固化进程监控，保证基材的耐高温性和绝缘性能达标。

此外，DSC也用于玻璃化转变温度的测定和物质的纯度分析。玻璃化转变温度（T_g）是高分子材料从“玻璃态"向“高弹态"转变的临界温度，直接影响材料的使用温度范围。高分子材料在玻璃化转变前后，比热容发生突变。这种比热容突变会导致DSC曲线基线出现台阶式偏移（如图4结晶峰出现前的台阶式偏移），偏移的中点温度即为玻璃化转变温度。对于药品、试剂、高纯度工业原料，纯度是衡量其质量的核心指标，杂质的存在会直接影响产品性能或使用安全性。DSC通过分析熔融峰的温度与峰形，定量计算物质纯度，是一种高效、无损的纯度检测手段。