1、结晶动力学 高分子材料物理化学实验讲义1差示扫描量热法测定聚合物等温结晶速率一、实验目的1、加深对聚合物的结晶动力学特征的认识。2、了解 DSC 法测定聚合物等温结晶速率的基本原理。3、熟悉 DSC 204F1 型差示扫描量热仪的操作。4、掌握 DSC 法测定等温结晶速率的实验技术。二、实验原理聚合物的结晶过程是聚合物分子链由无序的排列转变成在三维空间中有规则的排列，结晶的条件不同，晶体的形态及大小也不同，结晶过程是高分子材料加工成型过程中的一个重要环节，它直接影响制品的使用性能。因此，对聚合物结晶速率的研究和测定有重要的意义。测定聚合物等温结晶速率的方法很多，其原理都是基于对伴随结晶过程的热
2、力学、物理性能或力学性能的变化的测定，如比容、红外光谱、X 射线衍射、双折射法等都是如此。本实验采用 DSC法，它具有制样简便、操作容易、实验重复性好等优点。差示扫描量热仪（DSC）是在差热分析的基础上发展起来的一种热分析技术。DSC仪主要有功率补偿型和热流型两种类型。热流型的测试仪是在同一个炉中或相同的热源下加热样品和参比物。在程序温度（线性升温、降温、恒温及其组合等）运行过程中，当样品发生热效应时，在样品端与参比端之间产生了与温差成正比的热流差，通过热电偶连续测定温差并经灵敏度校正转换为热流差。利用差示扫描量热仪，可以研究材料的熔融与结晶过程、结晶度、玻璃化转变、相转变、 液晶转变、氧化稳
3、定性（氧化诱导期） 、反应温度与反应热焓，测定物质的比热、纯度，研究高分子共混物的相容性、热固性树脂的固化过程，进行反应动力学研究等。采用 DSC 法测定聚合物的等温结晶速率时，首先将样品装入样品池，加热到熔点以上某温度保温一段时间，消除热历史，然后迅速降到并保持某一低于熔点的温度，记录结晶热随时间的变化，如图 1（a） 。可以看到随结晶过程的进行，DSC 谱图上出现一个结晶放热峰。当曲线回到基线时，表明结晶过程已完成。记放热峰总面积为 A0，从结晶起始时刻（t 0）到任一时刻 t 的放热峰面积 At与 A0 之比记为结晶分数 X(t)： 0AtXt图 1 DSC 法测定结晶速率(a)等温结晶
4、 DSC 曲线 (b)结晶分数与时间关系以结晶分数 X(t)对时间作图，可得到图 1（b）的 S 形曲线。这种形状代表了三个不同的结晶结晶动力学 高分子材料物理化学实验讲义2阶段。第一阶段相当于曲线起始的低斜率段，代表成核阶段，又称为结晶的诱导期；第二阶段曲线斜率迅速增加，为晶体放射性生长，形成球晶的阶段，称为一次结晶；曲线斜率再次减小即进入第三阶段，到此阶段大多数球晶发生碰撞，结晶只能在球晶的缝隙间进行，生成附加晶片，称为二次结晶。聚合物等温结晶过程可以用 Avrami 方程进行描述：nKtXexp1式中，X 为结晶分数，K 为总结晶速率常数，n 为 Avrami 指数，与成核机理和晶粒生长
5、的方式有关。对 Avrami 方程取两次对数：tlgllng以 lg-ln(1-X)对 lgt 作图得一直线，其斜率为 Avrami 指数，其截距为 lgK。三、实验试剂和仪器1、主要实验试剂聚对苯二甲酸-1,3-丙二醇酯（PTT）粒料2、主要实验仪器204F1 型差示扫描量热仪四、实验步骤：1、试样制备取 PTT 样品 5-10mg 称重后放入铝坩埚中，用铝坩埚盖盖好，压紧，并用钢针在坩埚上扎一个洞，防止样品溅出而污染样品室。2、 DSC 测试（1）将样品坩埚放在样品室右侧（左侧为参比坩埚） ；（2）使用 DSC 204 F1 差示扫描量热仪进行测试；（3）打开 DSC_204 F1_Pho
6、enix on USBc 1 测试软件，点击 “文件”菜单中的“新建”进入编程文件。基本信息：测量类型选择“样品” ；输入样品编号、名称、样品质量；“温度校正”点击“选择” ，双击或点击打开“240-11-0066-L-1”文件；“灵敏度校正”点击“选择” ，双击或点击打开“240-12-0066-L-1”文件；以上信息输入完成后“基本信息”处变成绿色点击“下一步” 。温度程序：段条件：吹扫气 2 MFC，开启，20ml/min；保护气 MFC，开启，60ml/min；选中 Intracooler、Boostercooler。程序： 初始等待等待温度 50增加；动态终止温度 250，升温速率
7、50K/min增加；（升温段）恒温恒温温度 250，恒温时间 5min增加；（恒温段）动态终止温度 180（结晶温度） ，速率 100K/min增加；（降温段）恒温恒温温度 180（结晶温度） ，时间 7min增加；（恒温结晶段）结束增加结束等待，温度设为室温，等待时间大于 20 分钟。下一步。保存：保存在 D 盘DSC data 卓越班教学 2014输入文件名（学号-样品名称） 保存 下一结晶动力学 高分子材料物理化学实验讲义3步测试开始：将样品放在样品室的右侧点击“开始等待到”（温度升至 50）待炉温达到设置的初始温度后点击“开始测量 ”。3、DSC 数据处理打开 Proteus Anal
8、ysis 数据处理软件：点击“文件”“打开 ”在谱图空白处右击“温度段”只选择结晶段曲线（恒温结晶段）确定选中 DSC 曲线（曲线变为白色）附加功能导出数据（点数 1000、全范围、信号选择“DSC” ）输出。打开 Proteus Analysis 数据处理软件：点击“文件”“打开 ”在谱图空白处右击“温度段”只选择结晶段曲线（恒温结晶段）确定选中 DSC 曲线（曲线变为白色）分析面积（使两条直线分别位于结晶峰的两侧、选中“填充面积” 、 “DSC 积分曲线” ）应用确定选中积分曲线附加功能导出数据（点数 1000、框中所要导出数据的范围、信号选择“积分” ）输出。五、实验结果与讨论绘制 DSC 测试得到的等温结晶曲线。绘制不同温度下的 X-t 曲线。以 对 lgt 作图，计算 Avrami 指数 n 及总结晶速率常数 K。X1lng结合实验讨论结晶温度对聚合物结晶动力学有何影响和实验中应注意的问题。
