1、华诚 TEA专员 2011.9.2,热分析技术培训 Part I : DSC,PE热分析最新产品DSC原理及使用注意DSC应用,远古时期,驱赶野兽熟食意识形态崇拜打火机？,现代热分析起源时期,4,BC 600 - 十八世纪 简单的用加热方法来控制相变 如铸剑的过程 Until,差热分析仪,近代简史,1903 苏联物理学家Tammann首次引入了热分析概念 1915 日本物理学家Honda先生引入热天平概念，从而开启了热重分析仪的发展历史 二十世纪中期 研究主要围绕如何将热分析仪器的自动化以及理论模型建立包括定量差热分析技术 1962 美国人Watson等人开创性的研发了差示扫描量热技术（PC-
2、DSC），PerkinElmer公司于1963年推出了商业化机型 二十世纪九十年代 调制技术以及HyperDSC等新型热分析技术的出现 二十一世纪未来？ 联用技术,5,什么是热分析?,热分析 指在程序温度下，测量物质的物理性能随温度变化的技术。,6,常用的热分析方法,7,PerkinElmer公司热分析产品线,2400CHNS/O,2410 N,DSC 8000/8500,8,DSC 差示扫描量热分析仪,9,差示扫描量热法（Differential Scanning Calorimetry） 是指当样品在升温、降温或等温时，测量输入到被测样品和参比物的功率差与温度（或时间）关系的技术。 对于不
3、同类型的DSC，“差示”一词有不同的含义，对于功率补偿型，指的是功率差；对于热流型，则指的是温度差。,差示扫描量热仪 (DSC) ,10,几个概念问题,热流率（Heat Flow）： 是指单位时间内通过某一截面的热量，单位为mW或者mJ/s。 大于零，表示热量流入，物体获得热量，反之，热量流出。 比热容（Cp，Specific Heat Capacity）： 使单位质量的某种物质升高单位温度所需的热量。热焓（Heat Enthalpy）： 表示物质系统能量的一个状态函数。将制定样品加热到目标温度所需要的能量大小。可以通过积分比热曲线得到。熵（entropy）：指的是体系的混乱的程度。,11,D
4、TA vs. DSC technology,相似，但不相同 DSC: 记录Heat Flow的变化 mW 或 mJ/s Differential Scanning Calorimeter DTA: 记录T 或者 Voltage 的变化 oC 或 mV Differential Thermal Analysis,12,差示扫描量热仪DSC,DSC分为：热流型Heat Flux功率补偿型Power Compensation,PerkinElmer是目前唯一可同时提供两种DSC的领导者!,13,DSC系列,DSC 4000/6000 系列,热流型 单炉体设计 测量T换算得到H,14,DSC系列,DS
5、C 8000/8500 系列,功率补偿型 热零位设计原理 直接测量H,15,PERKINELMER DSC MODEL,16,1971年 推出DSC 2型,1984年 推出DSC 7型,2001年 推出Diamond DSC型,现在 DSC 8000/8500,热流型DSC 向下吸热 向上放热 WHY?,样品熔融温度较参比端 低,H = k（T样品-T参比） 小于零 吸热；大于零 放热,17,功率补偿型DSC 向上吸热 向下放热 WHY?,样品熔融补偿功率较参比端 高,H = k（W样品-W参比) 大于零 吸热；小于零 放热,18,功率补偿型DSC的特点,真实、直接测量能量，得到最准确的能量数
6、据极低质量的炉体，最快速的DSC反应时间Hyper DSCTM技术可实现最快速的线性升降温速率（750 oC/min）最快速的平衡时间最佳的灵敏度和分辨率,DSC 8000/8500 系列,19,铂铱合金炉体,可使用活性或惰性气体进行加热抗腐蚀(ex. PVC, Solvent.)抗氧化(ex. O.I.T)容易清洗污染的炉体炉体的使用寿命最长Pt-Ir Al-Ceramic Cu-Cr Cu-Ni Ag,20,优异的温控性能,升温速率最高为750 oC/min （Hyper DSCTM技术）尤其适合Tg不易测量的样品高速升温意味高效率及高灵敏度具有最快的降温性能+100 to -100 C
7、with CLN2 cooling accessory，最快30秒达到最快自由降温速率(Ballistic cooling) 2100 C /min,21,关于样品问题： 样品形貌是否一致？不要用尖锐的样品。样品是否会与样品盘反应？分解温度是多少？样品考察的温度范围？在该范围内是否会产生气体生成内建压力？ 关于样品盘的问题：样品盘是否满足实验上限温度？是否清洁？样品盘材料是否会催化样品？（如Cu会催化PP氧化，OIT）是否要用耐压样品盘？ 关于仪器本身问题：实验方法是否超过仪器的检测限？仪器是否校正处于稳定状态？制冷机是否已经稳定？,22,实验前需要考虑的问题,试验准备,DSC 样品皿,Var
8、ious type: for solid, powder, liquid, volatile Materials: 铝, 铜, 铂金, 氧化铝, 石墨，不锈钢,大容量不锈钢样品皿,23,样品准备,DSC 样品轧机,通用轧机,标准轧机,高压轧机,24,影响热分析测量的因素,控温速率提高控温速率往往会促使目标温度升高，同时可提高灵敏度。许多动力学方法建立在该特征基础上；降低控温速率有利于提高分辨率；峰面积对控温速率不敏感（520 度/分，最大相差 3%） 样品量及粒度尺寸少量试样有利于气体扩散，降低温度梯度，提高准确度。 气氛氧气 空气 氮气 （相近的热导率） ；氦气（高热导率、低温）； 氩气（低
9、热导率、高温）等 装样容器及材料尽量选用浅皿样品盘， 装样的紧密度,25,扫描速度影响结果的解析度,快,慢,提高控温速率可以提高信号灵敏度，能量大小不变。降低控温速率可以提高信号分辨率。提高控温速率起始转变温度不变。,26,样品量的大小影响灵敏度和解析度,27,二阶导数曲线有助于区分重叠信号,28,二阶导数可以将肩峰信号很好的进行区分,DSC in Polymer Science Applications,Microstructure,Molecular movements,Performed properties,不同物质，结构不同，在相同外界条件下，分子运动不同，从而表现出的性能不同。,相
10、同物质，在不同外界条件下，分子运动不同，从而表现出的性能也不同。,学习聚合物分子运动的规律，了解聚合物在不同温度下呈现的力学状态、热转变与松弛以及玻璃化温度和熔点的影响因素，对于合理选用材料、确定加工工艺条件以及材料改性等等都是重要的。,结构是决定分子运动的内在条件 性能是分子运动的宏观表现,聚合物的几个概念,30,非晶聚合物在不同的温度下，分别呈现三种不同的力学状态和两种转变区。,非晶聚合物的力学状态,31,Tm vs. Tg,32,Tg：玻璃化转变时H、S、V无突变，但Cp、均有突变，因此也常误认为它是二级转变。但是，玻璃化转变并不是真正的热力学二级转变，而是高分子链段运动的松驰过程,比容
11、-温度关系,聚合物分子链柔性 表征高聚物的特征指标,高聚物刚性因子越大，玻璃化转变温度越高,33,Tm vs. Tg,结晶聚合物的熔融过程与金属或小分子的异同：相同点：都是热力学平衡一级相转变过程；不同点：小分子晶体在熔融过程，熔融温度范围很窄，一般仅0.2左右，可名符其实地称之为熔点。结晶聚合物的熔融过程，呈现一个较宽的熔融温度范围，约10C左右即存在一个“熔限”（熔程）；一般将其最后完全熔融时的温度称为熔点Tm。 原因：试样中含有完善程度不同（片晶厚度不同）的晶体。 测Tm方法：有DSC、DTA、PLM、膨胀计法、变温IR、变温WAXD。,熔限,DSC应用实例说明,相转变点 Phase T
12、ransition - Tg, Tc, Tm .氧化诱导 Oxidative Induction Research固化 Curing Reaction Analysis结晶 Crystallization Analysis质量控制 QA/QC Application,34,未知样品的一般分析步骤,第一周用于消除热历史,第二周反映样品真实状况,如果有可能事先用TGA等其他手段确定样品的分解温度,35,依据熔点判断未知样品的种类,36,注意点1、采用相同的控温程序设置；2、使用第二周的DSC曲线用于鉴别,37,运用熔点和焓值定量样品组分相对含量,尼龙6：尼龙66 = 50：50样品,38,高分子T
13、g分析热历史,不同热处理温度对PET曲线的影响,39,第一个熔融峰随处理温度提高出现正移，说明晶体完善程度较好,40,高分子的Tg分析共聚物(ABS)测试,41,高分子的 Tm 分析 热历史的影响,42,高分子的 Tm 分析 增塑剂的影响,高分子的 Tm 分析 结晶度计算,Hf计算方法：1、采用已知结晶度的样品作结晶度- Hf 曲线，外推得到100%结晶度的Hf。2、采用模拟样品熔融热焓来计算结晶度，但是会引入较大的误差。,43,44,比热测试 - Cp,y,y,结晶测试等温测试,一般步骤加热超过熔点等温确保完全熔融快速降温至指定温度 在低于熔点的特定温度等温,程序温度设置曲线,斜率代表控温速
14、率,45,可得到聚合物完整的等温结晶曲线,补偿式DSC 8000/8500极短的平衡时间,46,动力学分析 - Isothermal Kinetics,47,等温固化,DSC 8000/8500优势,48,固化固化度对Tg的影响,49,50,固化固化度的影响,功率补偿型DSC超高解析度,液晶材料随著分子排列的有序程度改变，会呈现出许多不同的相变。然而这些相变所产生的能量变化都相当微小，不易检测。 在右图中的85-95 C放大后,可以观察到有许多的吸热峰，而且这些能量变化相当微小(0.024J/g)。 由此可证明,功率补偿型DSC具有高解析度及高灵敏度。,51,O.I.T. 测试,Oxidati
15、ve氧化 Induction诱导 Time时间,OIT时间可以用于评价聚烯烃等材料在有氧气氛下的热稳定性能；可以作为材料的氧化稳定性能的模拟质量评价方法；可以作为改善氧化稳定性能的工艺配方的检测方法；在OIT试验中，样品放入开口坩埚中，首先加热到指定温度，然后等温，同时切换氮气到氧气，从切换成氧气的时刻起，到样品发生氧化诱导的onset时间，称为OIT。,52,等温温度对PE纤维O.I.T.的影响,53,气体种类及其流速对PE纤维O.I.T.的影响,气体的种类以及流速会影响氧化作用的起始和速度；这是OIT 测试中产生误差的因素之一；如果想得到OIT测试结果的重现性好, 气体的类型和流速要保持一
16、致。,54,坩埚材料对PE纤维O.I.T.的影响,样品坩埚材料的不同会影响OIT试验的结果；铜材料坩埚对氧化诱导有加速作用。,55,Stepwise Scan 调制功能原理,56,意义在于可以区别动力学过程和热力学过程,等温过程必须足够长能够令样品稳定；步进温度大小决定了曲线的分辨率,PET样品步进扫描DSC曲线,57,可以发现比热容的变化曲线得到的热力学玻璃化转变过程与热流率信号的动力学过程热焓松弛得到了完美的区分。,Step scan DSC 尼龙/ABS 合金,Raw data by traditional DSC conditions,58,Step scan DSC Nylon/AB
17、S 合金,Melting peak is apparent !,59,Step scan DSC Nylon/ABS 合金,Both Tg are apparent, too !,60,调制DSC的缺点,实验非常耗时，效率不高参数设置需要经验结果需要谨慎对待,解决 方法,HyperDSC 技术,DSC in Pharmaceutical Applications,63,纯度测试,输入分子量等参数可以计算出纯度%,Vant Hoff 方程,注意事项,64,ADE熔融面积对应的Ts为G点，而非E点,该方法不能够取代色谱或者光谱等方法，因为不能够判断杂质是什么，尤其对于制药业；杂质必须与主成分形成共
18、晶，即可以共融，如果杂质类型不影响结晶行为，如玻璃等则会影响结果准确性；只适用于纯度高于98%的样品类型；标准偏差约为0.04%；升温速率小于1 C/min，样品量13 mg。,HyperDSCTM 技术,定义采用快速线性升降温速率来测定材料热流率随温度变化的一项技术，一般而言速率必须达到300 C/min以上。,65, 不同的扫描速率,喷雾干燥法制备-乳糖DSC曲线,HyperDSCTM有助于提高灵敏度,66,喷雾干燥法制备乳糖的Tg随扫速变化比较.,- 500C/min Onset 79.3C,- 400C/min Onset 80.1C,- 500C/min Onset 80.5C,-
19、250C/min Onset 79.8C,- 100C/min Onset 78.0C,Tg起始温度受扫速影响较小,重现性较好,67,部分结晶型乳糖可探测到的Tg极限信号？, Scanned at 250 C/min,100% 结晶型乳糖,HyperDSCTM可建立Tg与无定形含量准确工作曲线,68,无定形乳糖与完全结晶型乳糖混合物, Scanned at 500 C/min,69,Tg高度与无定形区含量定量关系, to 100% amorphous,70,DMA 8000也能够胜任该任务,Example of 2% and 75% amorphous Lactose Loss of Free
20、 Water Glass Transition Loss of Hydration Water Melting采用试料夹技术可以定量分析无定型粉末样品玻璃化转变温度与无定型含量的关系，指导药物筛选工作。,-Lactose无定形含量分析（配制不同比例的混合物）,75% Amorphous,吸附水,Tg,结晶水,熔融,71,DMA设备,-Lactose无定形含量分析,Can plot relaxation strength against amorphic content to get a calibration graph Relaxation strength is defined as (1
21、-Tan) of glass transition peak,72,Carbamazepine卡巴咪嗪DSC曲线, using Conventional and HyperDSC rates,HyperDSCTM可以得到完整的样品信息,73, high sensitivity detail,Carbamazepine 卡巴咪嗪 ,容易丢失的两个转变过程,74, Application of Second Derivative,Carbamazepine 卡巴咪嗪 ,可采用二阶导数来提高分辨率,75,Scan at 10C/min,Form III melts and crystallises
22、enthalpy of fusion has never been recorded, polymorphism,HyperDSCTM可以抑制药物的特定晶型转变,Carbamazepine 卡巴咪嗪 Form III,Form I melts,HOW MUCH is the heat of fusion for Form III?HOW MUCH of this was there at the beginning?,Form I crystallizes,76, increasing the scan rate,Carbamazepine 卡巴咪嗪 Form III,77,HyperDSC
23、可以抑制重结晶过程，从而消除晶型互变过程对熔融热值测量的影响。允许用户获得真实的晶型组分信息。,What about mixtures and seeding?,Carbamazepine 卡巴咪嗪 Form III,78, scanned at 500 C/min,HyperDSCTM有助于药物的多晶型纯度分析,79,Form I,Form III, scanned at 500 C/min,Carbamazepine Form III : Form I = 1:99,80,Carbamazepine Form III : Form I = X （X=1-99%）,理论值,实测值,两种晶型直
24、接接触混合理论值 纯Form III H值 %,Form I晶型存在诱导结晶，因此Form III实测值小于理论值；而Form I实测值大于理论值。,FORM I,FORM III, scanned at 500 C/min,81,Carbamazepine Form III : Form I = X （X=1-99%）,两种晶型非接触混合 理论值与实测值基本吻合, scanned at 500 C/min,再次证明了500 C/min扫速下可以抑制晶型互变,82,喷雾干燥制备得到的肝磷脂DSC曲线,Large water loss peak,No Glass Transition evide
25、nt, scanned at 10 C/min,HyperDSCTM高效分离动力学和热力学过程,83, rates to 500 C/min,喷雾干燥制备得到的肝磷脂DSC曲线,Tg,失水吸热峰,分离,84,Ranitidine 雷尼替丁, scanned at 40 C/min,HyperDSCTM有效分离动力学和热力学过程,85,Ranitidine 雷尼替丁 , scanned at 300 C/min,86,HyperDSCTM优势总结,提高灵敏度 检测微弱转变信号分析微克级样品定量检测无定形含量真实反映样品的信息药物多晶型纯度分析模拟生产工艺过程对结构影响分离热力学以及动力学过程有助
26、于分离动力学和热力学信号能够有效测试熔融过与分解较为接近样品提高生产效率大幅缩短测试时间有助于提高药物筛选效率,87,Polymer Electronic material or composite,其他领域应用,88,DSC in Alloy and Other Applications,合金相图的绘制,90,注意点： 1、选择合适的坩埚进行实验（避免与炉体合金化，惨痛教训：铝皿研究600度以上的合金）； 2、控温速率选择。,卵磷脂相变测试,91,含水,无水,样品前处理对测试结果有较大影响,热分析联用技术,制冷机稳定时间与基线的关系,93,一般需要稳定30-40 min才可以正常实验，否则会
27、影响重现性。,由于仪器的传感器不能直接插入样品内部，破坏准确性，因此测量热信号极大依赖于仪器本身以及实验条件。不同厂商之间的仪器设计原理不同，但都是属于电学器件，传感器本身存在差异。,94,Why Calibrate?,When To Perform Calibration?,新仪器安装完成之后破损部件重新安装以及仪器进行常规维护之后仪器搬动使用全新的操作参数或者测试环境（比如气氛更换）对实验结果不满意GLP（良好实验室规范准则）等规程规定（药厂等）,在设备观察（Instrument Viewer）或方法编辑（Method Editor）状态下，点击Calibrate，弹出校正向导对话框。基线校正：校正曲率和斜率，曲率为粗细调，斜率为单一值。样品温度校正：校正传感器温度与样品温度。（推荐两点法，铟和锌）炉温校正：校正样品温度与程序温度。（九点校正法，用户只需定义起止限）热流校正：校正能量值，即Y轴坐标。（采用样品温度校正得到的焓值）SmartScan：基线自动校正。,96,How To Perform Calibration?,97,Indium 温度和能量校正,国际量热协会推荐标样,98,
