聚合物热分析

热分析测量聚合物的热流、质量或机械响应随温度的变化，从而确定玻璃化转变、熔融、结晶和分解，这些都定义了加工和使用极限。

Definition

聚合物热分析是一系列技术，通过监测聚合物的物理性质（热流、质量或机械响应）随受控温度的变化，以检测和量化其热转变和稳定性。

Scope

本主题涵盖了聚合物的主要热分析技术：用于玻璃化转变、熔融、结晶和热容的差示扫描量热法；用于分解温度和热稳定性的热重分析法；以及用于模量和阻尼温度依赖性的动态力学分析法。它阐述了每种技术检测的转变类型以及数据如何指导配方和加工。

Core questions

• 差示扫描量热法如何区分玻璃化转变、熔融和结晶？
• 热重分析法如何量化热稳定性和组成？
• 动态力学分析法在量热法之外增加了什么？
• 这些数据如何用于设定加工和使用温度？

Key theories

转变的量热检测

差示扫描量热法记录热流与温度的关系，将玻璃化转变显示为热容的阶跃，熔融显示为吸热峰，结晶显示为放热峰，从而可以量化转变温度和焓值。

热机械和重量响应

动态力学分析法以高灵敏度跟踪储能模量和损耗角正切通过转变，特别是玻璃化转变，而热重分析法则跟踪质量损失，以揭示分解起始温度、挥发物含量和填料分数。

Mechanisms

差示扫描量热法比较样品和参比物在升温过程中的热流，因此玻璃化转变时的热容变化表现为基线阶跃，晶体熔融表现为吸热峰，结晶表现为放热峰；峰面积给出焓值和结晶分数。热重分析法在加热过程中连续称量样品，质量损失阶跃标志着挥发物损失、分解和残留无机物含量。动态力学分析法施加振荡应力并测量模量和阻尼，以高灵敏度解析玻璃化转变和较弱的次级弛豫。

Clinical relevance

热分析是聚合物加工和质量控制的基础：玻璃化转变和熔融设定了模塑、挤出和使用温度；分解数据定义了安全的加工极限和阻燃行为；阻尼峰揭示了与韧性相关的弛豫。这些方法还能检测共混物中的污染、混溶性以及热固性材料的固化程度。

History

差示扫描量热法于20世纪60年代商业化推出，成为聚合物转变的标准方法，并由Wunderlich等人为大分子进行了广泛开发；热重和动态力学仪器在同一时期成熟，使热分析成为聚合物实验室的常规部分。

Key figures

• Bernhard Wunderlich
• John Ferry

Seminal works

• sperling2006
• young2011

Frequently asked questions

差示扫描量热法在聚合物中测量什么？

它测量样品在加热或冷却时的热流，揭示玻璃化转变表现为热容的阶跃，熔融表现为吸热峰，结晶表现为放热峰，以及它们的温度和焓值。

为什么要使用热重分析法？

它跟踪质量随温度的变化，因此可以揭示聚合物样品的分解起始温度和热稳定性、挥发物或水分含量以及无机填料或残余物含量。