差示扫描量热仪(DSC)的核心功能是测量样品在程序控温过程中发生的热效应。其工作原理的本质是动态的热流补偿与精确测量,最终实现对焓变、熔点、玻璃化转变温度等关键热力学参数的量化。
一、核心设计:对称性与差分测量
DSC的核心部件是一个精密的热炉,内部装有两个独立的测量平台:一个用于放置被测样品(S),另一个用于放置惰性参考物(如空坩埚或氧化铝粉末)。这两个平台通过一个热流传感器紧密相连,构成一个对称的测量系统。这种差分设计旨在消除背景热干扰,只测量样品本身的热效应。
二、工作过程:热流差的动态补偿
在整个实验过程中(如升温、降温或恒温),仪器控制系统始终致力于维持样品端与参考端的温度一致。当样品发生物理或化学变化时(如熔化吸热或结晶放热),它会吸收或释放热量,试图使其温度低于或高于参考端。
此时,DSC的检测系统会立即探测到这一微小的温度差(在功率补偿型DSC中),并迅速向样品端或参考端补偿相应的电能,使两端温度恢复平衡。这个为维持温度平衡所需补偿的功率(单位:毫瓦,mW),即直接等于样品吸收或释放热流的速率。因此,仪器的纵轴信号直接记录为热流率(HeatFlow)。
三、数据解读:从热流曲线到焓变计算
最终,我们得到一条热流率随温度或时间变化的曲线。曲线上的峰(吸热)或谷(放热)即代表了样品的热事件。
焓变(ΔH)的计算便基于此曲线:一个热事件所吸收或释放的总热量,等于其峰面积对时间的积分。计算公式可简化为ΔH=K×A/m,其中:
A是峰的面积。
m是样品的质量。
K是仪器常数(灵敏度系数),通过测量已知熔融焓的标准物质(如铟)进行校准确定。
综上所述,DSC通过精妙的差分设计,将样品微妙的热变化转化为可测量的电信号(热流差),并最终通过积分计算,将动态的热流曲线转化为定量的焓变数据,从而揭示材料的本质热性质。