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DSC差示扫描量热仪坩埚的选项技巧

更新时间:2025-06-25  |  点击率:121
   DSC-40A基于塔式热流法原理设计,是一款通过程序温度控制下测量样品与参比样品之间单位时间内热流差(或功率差)随温度或时间变化的常规热分析仪器。该产品使用毫克级样品量,可测量比热、玻璃化转变温度、熔点、结晶温度、结晶度、熔融焓、结晶焓、结晶动力学、热固性塑料的反应热、热固性塑料的反应动力学、胶凝转化率等基础数据。广泛应用于高分子材料、生物医药、无机非金属材料、石油、金属材料、含能材料、食品工业等领域的热力学和动力学研究。
  坩埚选择考虑的因素众多,包括坩埚体积、坩埚使用温度、坩埚材质等,选择适合的坩埚可帮助取得理想的测量结果。
  1.按坩埚材质分类
  坩埚材质包括铝、三氧化二铝、铂/铑、铂+氧化铝内衬、氧化铝+氧化铱、石墨、镀金、纯金、玻璃、陶瓷等。
 

 

 
  2.按坩埚耐压分类
  (1)高压坩埚:主要类型为一次性不锈钢坩埚和可重复使用的尼孟合金(NiCr20TiAl)坩埚,可承受高达15 MPa的压力。高压坩埚的密封需要使用专用的密封工具。
  (2)中压坩埚:允许使用的最大压力为2 MPa,一次性使用。中压坩埚可使用FPM O型圈(存在少量水蒸气渗透问题)或PCTFE O型圈密封(220°C时存在DSC熔融峰)。
  (3)低压坩埚:常用的坩埚类型,以铝坩埚为主,耐压通常低于0.3MPa。
  

 

 
  3.按坩埚体积分类
  坩埚体积具有15μL~900μL的选型范围,例如15、20、25、30、40、70、100、160、300、600、900uL的规格。小体积坩埚的信号时间常数小,热流滞后性低;热效应较弱的样品可使用大容积坩埚,提高测试样品量。
  

 

  坩埚选用技巧
  1.坩埚盖的影响
  坩埚盖用于密封坩埚,以抑制溶剂蒸发,或压实样品。根据不同应用场景,坩埚盖的使用可分为4种情况:
  (1)不加盖:对于开放式坩埚,坩埚内外气体可以进行自由交换。
  (2)使用针头穿孔:通过在盖上刺一个大孔,可提供不同型号的针头(直径0.1mm、0.7mm、1mm)对盖子穿孔。可防止测试样品溢出坩埚对传感器造成影响。同时,坩埚内气氛与炉内基本相同,样品蒸发速度仅略微减慢。
  (3)盖子预穿50μm孔:与标准40μL坩埚组合使用,内部形成自生成气体,蒸发速度明显减慢。
  (4)严密密封:可在不发生气体交换的情况下测量样品,并抑制样品蒸发、沸腾、汽化或升华。
  

 

 
  2.不同耐压坩埚的应用场景
  低压坩埚适用于一般测试场景,适用于多数样品的热焓、相转变、比热容、氧化诱导期等测试。
  中压坩埚被用来测试有较大失水的样品,通常为生物学样品和药物。
  如图6所示,高压坩埚抑制了挥发性物质的蒸发,确保整个实验样品在坩埚内的密封环境中进行,减弱汽化热的干扰,适用于挥发性强的样品。试样的蒸发或气态产物的分解,在从敞口的DSC坩埚中逸出后,可能被记录为吸热,可能给出误导性的结果,如图7所示。另外,如一次性密封铝坩埚不适合化学品热安全研究,因为它们不能承受mg级样品分解产生的压力,此类型实验需要选择高压坩埚。
  

 

  使用不同耐压坩埚的DSC曲线:a)理想的放热分解DSC曲线(高压坩埚);b)异常吸热峰(普通铝坩埚)。[3]
  3.测试样品种类
  根据测试样品的种类,建议依据下表选取合适材质的坩埚。需注意样品与坩埚材质是否发生化学反应。例如,当使用温度超过660℃时,铝坩埚会熔化并破坏传感器;加热到一定温度,氧化铝坩埚会与金属样品发生反应;铂金坩埚可能会与碳发生反应,缩短坩埚使用寿命;铂还会与金属形成合金,破坏传感器。
  不同材质坩埚的使用温度范围迥异[4]。例如金属铝坩锅适用温度范围为-150~600℃,具有良好的传热性能、灵敏度、峰值分离能力和基线性能;Al2O3坩埚最高工作温度为1650℃,具有较宽的样品相容性,但其灵敏度、峰分离能力、基线稳定性都比较弱;铂铑合金坩锅适用-150~1600℃,具有优良的传热性能、灵敏度、峰值分离能力和基准性能,但价格昂贵;石墨坩埚适用温度范围为-150~2400℃,在高温下必须用惰性气氛保护,当温度高于1000℃时,石墨坩埚与传感器之间必须有Al2O3衬垫。
  表1不同样品种类对坩埚选型的影响[1-2]
  

 

  4.测试样品用量
  DSC试验的样品用量介于0.1~10 mg,试样量不超过坩埚体积的1/3~1/2。并且坩埚体积的选择也与测试样品的性质有关[5]:
  (a)对于极易反应的样品,建议样品量<1 mg;
  (b)对于其他高能材料,3 mg的样品量可能是一个不错的选择;
  (c)对于有机材料和药品,建议1~5 mg;
  (d)对于聚合物,建议用量10 mg;
  (e)对于复合材料,建议用量为15~20 mg。