【检测表征】差示扫描量热法（DSC）快速测定聚合物的结晶度
1、DSC在聚合物测试领域的应用介绍
聚合物的结晶度对熔点、密度、磁导率和储能模量等聚合物的物理性能有很大的影响。因此，了解聚合物的结晶度显得尤为重要。通过对聚合物结晶度的直接测量，在获得聚合物基本属性的同时，也可以从中预测其他物理性质。
差示扫描量热法（Differential Scanning Calorimetry，DSC）是一种相对于时间或温度测量流入或流出材料的热流的方法。聚合物结晶度可以用DSC通过量化与聚合物熔融相关的热量来测量。
通过相对于已知结晶度的聚合物进行对比以获得相对值，或者通过相对于100％结晶性聚合物样品的熔融热进行比例来以结晶度百分比形式来评估热量。
2、DSC测试原理及结果分析
DSC由一个带有凸起平台的热电盘组成，在该平台上放置了参比物（通常是一个空盘）和一个装有样品的金属盘。当热量通过磁盘传递时，通过区域热电偶监控到样品和参比样品的差热流。样品温度可以通过样品热电偶直接监控。预热的吹扫气体的存在除了提供所需的样品与大气相互作用之外，还提供了额外的基线稳定性。
本文示例研究并描述了在环境温度至180°C范围内对聚乙烯样品的DSC分析。程序升温速率为每分钟5°C，样品环境由氮气组成。由于先前的聚合物热历史会影响所测量的结晶度，因此样品应“按原样”进行测试，并在“热处理”后对所有三个样品提供相同的热历史。热处理包括将样品以10°C/分钟的速度加热到180°C，然后以5°C /分钟的速度控制冷却到环境温度。
初始“按原样”加热后，其中一个聚乙烯样品的熔融吸热曲线如图1所示。使用DSC标准数据分析软件进行分析，对于100％结晶材料焓值290J/g，计算结晶度％。下表1显示了三个样品的测试结果。
图1 加热后聚乙烯样品的熔融吸热
经过“热处理”之后，三种聚合物显示出与最初获得的不同的结晶度。其中样品1和2的结晶度和熔体曲线相似，表明两种聚合物都经受了相似的加工条件。但样品3表现出较尖锐的熔融度和较低的结晶度，说明其具有不同的加工条件。与初始结晶度相比，热处理后的三种聚合物的结晶度不同，结果如下表2所示。
表2 经过热处理后聚乙烯样品的DSC测试结果
3、DSC在碳纤维复合材料领域应用
目前高性能及其复合材料团队拥有国家发改委碳纤维表征检测服务平台，有数十套专业化检测设备，开展测试项目共计80多项，其中碳纤维及其原丝测试等5个项目、15个方法已得到中国合格评定国家认可委员会（CNAS）和中国计量（CMA）认证。
在高性能纤维标准化技术领域，本平台已建立了碳纤维产业标准的检测方法体系，形成了碳纤维检测示范平台，先后制定或参与制定的国家标准、行业标准等共计12项，其中牵头制定8项（图2）。
图2 发改委检测平台及制定的标准
目前本平台拥有耐驰公司STA 449 F3型同步热分析仪（图3），测试范围为室温～1650℃，能同时测试样品热效应（转变温度、热焓等）与质量的变化，该测试项目已通过中国合格评定国家认可委员会（CNAS）和中国计量（CMA）认证，可根据国家标准及ISO、ASTM等国际标准进行试验和提供盖CNAS和CMA公章的测试报告。
图3 本平台专业DSC测试设备
DSC在碳纤维及其复合材料领域的典型应用包括：利用DSC对PAN原丝放热行为进行分析从而为后续热处理提供工艺指导；利用DSC对碳纤维复合材料进行分析可以精确测试复合材料中碳纤维体积含量，测试实例如下图4所示。
图4 利用DSC测试复合材料中碳纤维含量
上图为碳纤维复合材料在空气氛围中加热到700℃得到曲线，400℃、500℃左右树脂燃烧分解失重明显，而由于碳纤维在低温环境下不会存在质量损失，因此经计算得到复合材料中碳纤维含量61.7%。