差示扫描量热法检验合成纤维

1 实验原理

差示扫描量热法（Differential Scanning Calorimetry，DSC）是指在程序温度控制下，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。差示扫描量热仪可以分为功率补偿型和热流型两种，本文所用的是功率补偿型。功率补偿型差示扫描量热仪有两个加热炉，分别放置试样和参比物。当试样和参比物同时加热或者冷却时，试样会发生各种物理、化学变化。而参比物是热惰性物质，在所测量的温度范围内，加热或冷却不会产生热效应，这就会在试样和参比之间产生温度差ΔT，这个温度差可由温差检测装置测得。然后由温度控制器对样品炉和参比炉升温或降温，调节温差，使得ΔT＝0。这样就可在样品和参比始终保持相同温度的条件下测得为满足此条件样品和参比两端所需的能量差，并直接作为信号△Q（热量差）输出（见图1）[1，2]。

图1 功率补偿型差示扫描量热仪原理

2 材 料

铂金一埃尔默AD26自动电子天平；铂金一埃尔默功率补偿型差示扫描量热仪。

本文选取了6种常见的合成纤维，分别是涤纶、腈纶、锦纶、丙纶、氨纶、氯纶。另外，选择了10个厂家的涤纶样品（见表1）。

表1 10个涤纶样品的生产厂家1南京合成纤维厂6辽宁化纤厂2大连合成纤维检验所7西安化纤厂3丹东化学纤维公司8江苏仪征化纤厂4南通合成纤维厂9北京化纤厂5济南化学纤维厂10北京绒毯厂

3 方 法

每种纤维样品取3mg～5mg，用自动电子天平称量，放入铝制样品皿中，用密封器密封。同时，取一个空的样品皿密封，作为参比物。

将制作好的样品皿放入差示扫描量热仪，设定程序起始温度，丙纶为100℃，然后以20℃/min的速率上升到250℃。锦纶、维纶、涤纶为150℃～300℃，氯纶、腈纶为150℃～400℃。

对于10个涤纶样品，在终止温度恒温1min，再以20℃/min的速率下降到起始温度。每个样品进行5次平行实验，可测得DSC曲线和热学参数，再求其平均值。

4 结果与讨论

4.1 DSC曲线比较

4.1.1 6种合成纤维的DSC曲线比较 图2是6种合成纤维的DSC曲线，从上到下依次为丙纶、锦纶、氨纶、涤纶、氯纶、腈纶纤维。由图2可以看出，丙纶纤维的曲线与其它纤维明显不同，锦纶、氨纶、涤纶三者的曲线峰形、峰高和熔程虽然相近，但熔融峰的位置有差异；氯纶和腈纶纤维的DSC曲线中没有出现熔融吸热峰，而是直接分解，出现放热峰。

图2 6种合成纤维的熔融DSC曲线

根据合成纤维的化学组成，丙纶、锦纶、氨纶、涤纶、氯纶、腈纶纤维分别是由丙烯、酰胺、氨基甲酸酯、对苯二甲酸乙二酯、氯乙烯、丙烯腈聚合而成。由于聚合单体不同，其分子结构、官能团组成、极性、分子间的作用力以及分子量不同，从而导致熔融温度、放热（或吸热）热量以及放热（或吸热）的速率不同，DSC曲线有明显不同。

4.1.2 不同厂家生产的涤纶纤维的DSC曲线比较

图3是10个厂家生产的涤纶纤维的DSC曲线，从上到下依次为表1中所列的1到10号厂家涤纶纤维的熔融曲线和结晶曲线。从图3可以看出，10个涤纶纤维的DSC曲线基本形状比较接近，但熔融峰和结晶峰的峰形、峰高和峰位等方面有不同程度的差异，尤其是熔融峰峰形差别较大。

图3 10个厂家的涤纶样品的熔融结晶DSC曲线（从上到下依次为1号到10号涤纶样品的熔融曲线和结晶曲线）

同种类的合成纤维具有相同的组成，10个厂家生产的涤纶纤维所用的单体是相同的，但DSC曲线有差异，这反映了各厂家的生产工艺以及纤维热处理条件不同，其中热处理过程造成的差异更为主要。

涤纶在结晶聚合的过程中要进行退火和淬火处理，以控制结晶度。结晶度不同会导致熔点不同。此外，片晶的厚度和完善程度也可引起熔点的差异。退火可提高结晶度，增加片晶厚度，完善结晶程度，提高熔点。淬火处理时，结晶度和熔点都比自然冷却要低。在图3中，10种涤纶纤维的熔融峰之间的差异明显比结晶峰差异大，这也反映了各个厂家纤维的热处理条件不同。

为了排除仪器在测试过程带来的误差，此次试验过程中，对每一个涤纶样品都做了5次平行实验，同一个样品的5次实验结果中，DSC曲线、峰形、峰高、峰程很相似。因此，可以认定DSC曲线的差异来自样品本身。

4.2 热学参数比较

4.2.1 6种合成纤维的热学比较 表2是由DSC曲线计算所得的6种合成纤维的热学参数，Tm为外推起始熔融温度，Tmp为熔融峰顶温度，ΔHm为熔化焓。由表2可知，6种纤维的Tm，Tmp，ΔHm数值都有明显的差异，尤其是熔融峰温度，可以很容易的区分开来。

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