一、前言

比熱容是單位質(zhì)量的物質(zhì)溫度升高或降低1℃所吸收或放出的熱量，反應(yīng)了材料吸熱或放熱的能力。

DSC測試比熱容因其簡單快捷成為目前測試比熱容比較普遍的方法，但是該方法測試的誤差較大，所以針對此本文以尼龍6（PA6）為研究對象，通過對測試坩堝是否預(yù)加熱、升溫速率、初始恒溫時間、測試過程中是否存在相變、標(biāo)物質(zhì)量及樣品質(zhì)量、溫度跨度以及比熱容測試的基線、標(biāo)物和樣品是否使用同一坩堝等方面進行試驗，探究PA6的比熱容測試影響因素。

二、試驗方案

對比分析比熱容測試標(biāo)準(zhǔn)中具體細節(jié)要求，并與日常測試時的操作進行對比，如表1 所示。依據(jù)表1對比結(jié)果進行比熱容測試影響因素試驗，具體試驗方案如表2所示。其中添加空坩堝重復(fù)加熱是考慮比熱容測試時均要扣除第一次坩堝修正的基線，但是空坩堝未加熱前坩堝表面存在部分污染物或涂層，所以空坩堝第一次加熱與之后再加熱是否具有很好的重復(fù)性卻是未知的，若重復(fù)性較差則會直接影響測試結(jié)果，所以將坩堝重復(fù)加熱的重復(fù)性也作為比熱容的測試影響因素進行探究。

表1 比熱容測試標(biāo)準(zhǔn)對比

表2 試驗方案

三、結(jié)果與討論

3.1 空坩堝重復(fù)加熱

測試程序為：初始溫度20℃，恒溫5min，之后分別以10K/min、15K/min、20K/min的升溫速率升溫至280℃，氣氛為N2，吹掃氣與保護氣流量為50mL/min。對比空坩堝在不同升溫速率下重復(fù)加熱測試曲線的差異，測試結(jié)果如圖1所示。從圖1中可以看出，升溫速率為10K/min、15K/min、20K/min時空坩堝第1次加熱測試曲線與第2-5次加熱測試曲線偏差大，且第2-5次加熱時測試曲線的重復(fù)性較好。

（a）升溫速率為10K/min重復(fù)測試曲線

(b) 升溫速率為15K/min重復(fù)測試曲線

(c) 升溫速率為20K/min重復(fù)測試曲線

圖1空坩堝重復(fù)加熱測試曲線

以尼龍6為測試樣品，按照空坩堝重復(fù)加熱時的測試程序進行試驗，升溫速率為10K/min，對比空坩堝經(jīng)過第一次加熱后再進行比熱容測試與空坩堝直接進行比熱容測試結(jié)果的重復(fù)性，試驗結(jié)果如圖2所示。從圖2中可以看出坩堝經(jīng)過一次加熱后再進行比熱容測試，測試結(jié)果具有較好的重復(fù)性。

（a）坩堝未預(yù)熱

（b）坩堝預(yù)熱1次

圖2 坩堝未預(yù)熱與預(yù)熱1次比熱容測試重復(fù)性曲線

3.2 溫度跨度

比熱容測試標(biāo)準(zhǔn)GB/T 19466.4明確表明比熱容測試時溫度跨度為50-100K，但是標(biāo)準(zhǔn)ASTM E1269與NB/SH/T 0632-2014卻未明確溫度跨度要求。采用分段測試比熱容的測試結(jié)果與不分段測試比熱容結(jié)果的差異，從圖3中可以看出當(dāng)溫度跨度大于100K時，分段測試結(jié)果較未分段測試結(jié)果稍偏高，所以針對此，建議后期比熱容測試時若測試程序溫度跨度超過100K，最好采取分段測試。

圖3 不同溫度跨度比熱容測試曲線

3.3 是否含有相變

比熱容測試時，依據(jù)不同溫度比熱容的測試需求，有時測試過程中會包含相變，為了探究測試過程中含有相變與不含相變對比熱容測試結(jié)果的差異，從圖4可以看出針對PA6材料是否含有相變對比熱容的測試結(jié)果影響不大。

圖4 是否含有相變比熱容測試對比曲線

3.4 不同升溫速率與恒溫時間

比熱容測試時會設(shè)置等溫階段，其設(shè)置的目的在于使試樣達到熱平衡，以此保證試驗測試的起始溫度一致，從而提高數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性以及重復(fù)性。一般只要時間足夠長均能達到熱平衡，但是實際測試時需要兼顧準(zhǔn)確性與測試效率。所以探究不同恒溫時間對比熱容測試結(jié)果的影響。試驗結(jié)果如圖5所示。從圖5可以看出隨初始恒溫時間的延長，比熱容測試結(jié)果逐漸增大。所以若測試時間允許可以適當(dāng)延長比熱容的恒溫時間。

除此之外不同的升溫速率也可能會導(dǎo)致比熱容測試結(jié)果的不同，一般來說，升溫速率過快，會導(dǎo)致熱效應(yīng)往高溫方向漂移，測得的比熱數(shù)據(jù)也會偏低。所以探究不同升溫速率對比熱容測試結(jié)果的影響，試驗結(jié)果如圖5所示，從圖5可以看出不存在相變時，比熱容隨升溫速率的增加呈下降的趨勢，但是差異并不明顯。所以這也表明在合理的升溫速率范圍內(nèi)，其對比熱容測試的影響并不顯著。

圖5 不同升溫速率與恒溫時間的比熱容測試曲線

3.5 測試是否采用同一坩堝

日常測試比熱容時采用同一坩堝進行測試，但該操作的缺點是需要人員實時跟蹤，而標(biāo)準(zhǔn)GB/T 19466.4表明可以使用3套樣品質(zhì)量不超過0.1mg的坩堝進行測試，從圖6可以看出，比熱容測試時非同一坩堝的測試結(jié)果稍高于同一坩堝的比熱測試結(jié)果。所以后期比熱容測試時盡量使用同一坩堝。

圖6 是否使用同一坩堝的比熱容測試曲線

3.6 不同標(biāo)物質(zhì)量

比熱容藍寶石標(biāo)準(zhǔn)樣品有不同的質(zhì)量，探究不同質(zhì)量的藍寶石對比熱容測試結(jié)果的差異，結(jié)合PA6試樣自身的比重以及坩堝內(nèi)部的容積，本次試驗選取藍寶石質(zhì)量為11.31mg、24.9mg和37.1mg的標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)進行試驗，試驗過程中試樣質(zhì)量與藍寶石質(zhì)量保持一致。從圖7可以看出，比熱容隨藍寶石質(zhì)量的增加呈下降的趨勢，但24.9mg與37.1mg藍寶石測得的比熱容相近。

圖7不同標(biāo)物質(zhì)量的比熱容測試曲線

3.7 不同樣品質(zhì)量

比熱容測試標(biāo)準(zhǔn)明確強調(diào)標(biāo)準(zhǔn)物的熱容盡可能與待測試樣品相匹配，在以往測試過程中大多采用的是測試樣品與藍寶石的質(zhì)量一致進行測試，從圖中可以看出采用同一質(zhì)量的藍寶石時，比熱容隨樣品質(zhì)量的增加逐漸增加。

圖8 不同樣品質(zhì)量的比熱容測試曲線

   

四、經(jīng)驗分析與建議

1. 比熱容測試時為保證試驗結(jié)果的準(zhǔn)確性以及具有較好的重復(fù)性，建議比熱容測試時先將坩堝加熱一次后再用來測試比熱容。

2. 比熱容測試時空白試驗、校準(zhǔn)試驗以及試樣試驗最好使用同一坩堝，溫度跨度超過100K時最好進行分段測試，升溫速率一般采用10K/min或20K/min，恒溫時間一般為5min，若條件允許時可適當(dāng)延長。

五、塑料ID譜圖實驗室

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