差示掃描量熱儀是指在程序控溫和一定氣氛下，測(cè)量與試樣和參比物溫差成比例的流過熱敏板的熱流率的儀器。

　　熔點(diǎn)是固體將其物態(tài)由固態(tài)轉(zhuǎn)變（熔化）為液態(tài)的溫度。晶體開始融化時(shí)的溫度叫做熔點(diǎn)。物質(zhì)有晶體和非晶體,晶體有熔點(diǎn),而非晶體則沒有熔點(diǎn)。晶體又因類型不同而熔點(diǎn)也不同。一般來(lái)說(shuō)晶體熔點(diǎn)從高到低為,原子晶體＞離子晶體＞金屬晶體＞分子晶體。

　　怎么從差示掃描量熱儀的DSC曲線看熔點(diǎn)？

　　ICTA標(biāo)準(zhǔn)化委員會(huì)規(guī)定，前基線延長(zhǎng)線與峰的前沿Z大斜率處切線的交點(diǎn)，代表熔點(diǎn)。前基線就是指，在熔化過程之前的接近水平的基線。峰前沿就是指峰達(dá)到Z低點(diǎn)之前的那段曲線。

　　熔點(diǎn)是物質(zhì)從晶相到液相的轉(zhuǎn)變溫度，是熱分析Z常測(cè)定的物性數(shù)據(jù)之一。其測(cè)定的度與熱力學(xué)平衡溫度的誤差可達(dá)±1℃左右。目前采用ICTA推薦的方法，測(cè)出某一固體物質(zhì)的熔融吸熱蜂。

　　熱焓是表示物質(zhì)系統(tǒng)能量的一個(gè)狀態(tài)函數(shù)，其數(shù)值上等于系統(tǒng)的內(nèi)能U加上壓強(qiáng)P和體積V的乘積，即H=U+PV。在一定條件下可以從體系和環(huán)境間熱量的傳遞來(lái)衡量體系的內(nèi)能與焓的變化值。在沒有其它功的條件下，體系在等容過程中所吸收的熱量全部用以增加內(nèi)能，體系在等壓過程中所吸收的熱量，全部用于使焓增加，由于一般的化學(xué)反應(yīng)大都是在等壓下進(jìn)行的，所以焓更有實(shí)用價(jià)值。差示掃描量熱儀的DSC曲線中我們可以通過計(jì)算峰面積得到試樣的熔融熱焓。

（來(lái)源：北京恒久實(shí)驗(yàn)設(shè)備有限公司）

1）Linseis的原理是功率補(bǔ)償型原理還是熱流型？ 
熱流型原理

2）DSC的應(yīng)用范圍？
可用于測(cè)量包括高分子材料在內(nèi)的固體、液體材料的熔點(diǎn)、沸點(diǎn)、玻璃化轉(zhuǎn)變、比熱、結(jié)晶溫度、結(jié)晶度、純度、反應(yīng)溫度、反應(yīng)熱。

3）功率補(bǔ)償型DSC有何優(yōu)點(diǎn)？

1.    精確的溫度控制和測(cè)量

2.    更快的響應(yīng)時(shí)間和冷卻速度

3.    高分辨率

4）基線為何很重要，如何校正？ 
基線的重要性：

1.    樣品產(chǎn)生的信號(hào)及樣品池產(chǎn)生的信號(hào)必須加以區(qū)分；

2.    樣品池產(chǎn)生的信號(hào)依賴于樣品池狀況、溫度等；

3.    平直的基線是一切計(jì)算的基礎(chǔ)。

如何得到理想的基線

1.    干凈的樣品池、儀器的穩(wěn)定、池蓋的定位、清洗氣；

2.    選擇好溫度區(qū)間，區(qū)間越寬，得到理想基線越困難；

3.    進(jìn)行基線Z佳化操作。

5）主要是什么因素導(dǎo)致儀器損壞？

1.    用力過大，造成樣品池不可挽救的損壞；

2.    操作溫度過高（鋁樣品皿，溫度>600℃）；

3.    樣品池底部電接頭短路和開路；

4.    樣品未被封住，引起樣品池污染。

本節(jié)以梅特勒一托利多DSC823^e為例介紹差示掃描量熱儀的基本構(gòu)成及工作原理。

1.儀器的基本構(gòu)成

差示掃描量熱儀主要由加熱系統(tǒng)、程序控溫系統(tǒng)、氣體控制系統(tǒng)、制冷設(shè)備等幾部分組成，儀器整體結(jié)構(gòu)如圖28-3所示。

圖28-3梅特勒-托利多DSC823e型差示掃描量熱儀結(jié)構(gòu)圖

1-輸入至放大器的DSC原始信號(hào);2-彈簧式爐體組件;3-Pt100散熱片，用于安全控制;4-指形冷卻設(shè)備(只用于冷卻器中);5-散熱片，連接至冷卻器;6-溫度控制器;7-至散熱片的熱阻;8-平板加熱器;9-至溫度控制器的Pt100信號(hào);10-銀質(zhì)爐體;11-置于DSC傳感器上的坩堝;12-手動(dòng)爐蓋;13-至選配泵的吹掃氣體出口;14-手動(dòng)爐蓋支架;15-避免冷凝的干燥氣體入口;16-吹掃氣體進(jìn)氣口

圖28-4是裝有FRS 5傳感器的DSC測(cè)量單元的截面簡(jiǎn)圖。試樣坩堝和參比坩堝正確放置于傳感器圓盤之上。一個(gè)玻璃陶瓷薄圓片(界面)將傳感器與爐體的銀板連接。吹掃氣體從儀器的下部進(jìn)入到樣品池內(nèi)。Pt100測(cè)量爐體溫度Tc。兩根FRS 5原始信號(hào)金絲和吹掃氣體進(jìn)口位于FRS 5傳感器下ZY位置。

圖28-4裝有FRS 5傳感器的DSC測(cè)量單元的截面簡(jiǎn)圖

(1)加熱系統(tǒng)

爐子的加熱方式與爐子的類型有關(guān)，主要取決于溫度范圍。加熱方式有電阻元件、紅外線輻射和高頻振動(dòng)，常用的是電阻元件對(duì)爐子加熱，本爐子也是如此。

爐腔內(nèi)有一傳感器置于防腐蝕的銀質(zhì)爐體ZY(純銀的爐體導(dǎo)熱性好，受熱均勻)，如圖28-5所示。

圖28-5加熱系統(tǒng)爐腔

傳感器的表面用陶瓷涂敷，安裝在直接與銀質(zhì)爐體的加熱板接觸的玻璃陶瓷片上，以防化學(xué)侵蝕與污染。爐蓋是三層疊加的銀質(zhì)爐蓋，外加擋熱板以有效地與環(huán)境隔離。爐體下方有一個(gè)400 W電熱板對(duì)爐體加熱，純銀的爐體被彈簧式爐體組件壓在平坦加熱器的絕緣片上。由Pt100溫度傳感器生成溫度信號(hào)。爐體的熱量通過片形熱阻傳至散熱片。DSC823^e量熱儀的溫度范圍為-60～700℃。

DSC傳感器(如FRS 5、HSS 7和HSS 8)的熱電偶以星形方式排列，可單獨(dú)更換。在坩堝位置下測(cè)量試樣和參比的熱流差。熱電偶串聯(lián)連接，可產(chǎn)生更高的量熱靈敏度。凹進(jìn)傳感器圓盤的下凹面可提供必要的熱阻。由碾磨加工磨去了多余的材料，導(dǎo)致熱阻很小，坩堝下的熱容量很低，因此還獲得了非常小的信號(hào)時(shí)間常數(shù)。圓盤形傳感器由下垂直連接，使得水平溫度梯度*小化，本儀器使用的是FRS5傳感器，有56對(duì)熱電偶，具有極高的靈敏度和溫度分辨率，如圖28-6，圖28-7所示。

圖28-6DSC傳感器

圖28-7放大之后的DSC傳感器

(2)程序控溫系統(tǒng)

爐子溫度升降的速率受溫度程序控制，其程序控制器能夠在不同的溫度范圍內(nèi)進(jìn)行線性的溫度控制，如果升溫速率是非線性的將會(huì)影響到DSC曲線。程序控制器的另一特點(diǎn)是，必須對(duì)于線性輸送電壓和周圍溫度變化是穩(wěn)定的，并能夠與不同類型的熱電偶相匹配。

當(dāng)輸入測(cè)試條件之后(如從50℃開始，升至500℃，以20℃/min的升溫速率)，溫度控制系統(tǒng)會(huì)按照所設(shè)置的條件程序升溫，會(huì)準(zhǔn)確地執(zhí)行發(fā)出的指令。溫度準(zhǔn)確度為±0.1℃，溫度范圍為-60～700℃。所有這些控溫程序均由熱電偶傳感器(簡(jiǎn)稱熱電偶)來(lái)執(zhí)行。

(3)氣體控制系統(tǒng)

氣氛控制系統(tǒng)分兩路，一路是反應(yīng)氣體，由爐體底部進(jìn)入，被加熱至儀器溫度后再到樣品池內(nèi)，使樣品的整個(gè)測(cè)試過程一直處于某種氣氛的保護(hù)中。至于通入什么氣體，要以樣品而定，有的樣品需要通入?yún)⒓臃磻?yīng)的氣體，有的則需不參加反應(yīng)的惰性氣體，*后氣體通過爐蓋上的孔逸出。另一路是吹掃氣體，爐體和爐蓋間必須充入吹掃氣體，避免水分冷凝在DSC儀器上。

氣體控制系統(tǒng)有兩種形式，一種是手動(dòng)的方法調(diào)節(jié)流量計(jì)的流速大小；另一種是配一套自動(dòng)的氣體控制裝置，由程序切換、監(jiān)控和調(diào)節(jié)氣體，可在測(cè)試過程中由惰性氣氛切換到反應(yīng)性氣氛。可自動(dòng)切換四五種氣體，本儀器使用的是手動(dòng)方法切換和調(diào)節(jié)氣體。

(4)自動(dòng)進(jìn)樣器

低溫型的DSC儀均配備有自動(dòng)進(jìn)樣器，高溫型的目前尚未配備。圖28-8為自動(dòng)進(jìn)樣器的機(jī)械手，圖28-9為自動(dòng)進(jìn)樣器樣品池。自動(dòng)進(jìn)樣器的一個(gè)功能是，在設(shè)置好測(cè)試條件的前提下，可按照指令抓取坩堝，送入儀器開始測(cè)試，實(shí)驗(yàn)結(jié)束后再取出坩堝，可使儀器連續(xù)24h工作，大大提高了工作效率。自動(dòng)進(jìn)樣器能處理多達(dá)34個(gè)樣品，每種樣品都可用不同的方法和不同的坩堝，但需要注意的是，坩堝放的位置和軟件設(shè)置的坩堝位置一定要一致，否則會(huì)馬上彈出一個(gè)窗口加以提示，并且停止工作，直至調(diào)整兩者坩堝的位置一致，才繼續(xù)工作。

圖28-8自動(dòng)進(jìn)樣器的機(jī)械手(Sample Robot)

圖28-9自動(dòng)進(jìn)樣器樣品池

自動(dòng)進(jìn)樣器的另外一個(gè)功能是，能在測(cè)量前移走坩堝的保護(hù)蓋，或者給密封的鋁坩堝的蓋鉆孔。這種獨(dú)特的功能可以防止樣品在稱量后到測(cè)量前這段時(shí)間吸入或失去水分，也能防止對(duì)氧氣敏感的樣品在測(cè)試前發(fā)生變化。

如果是揮發(fā)性很強(qiáng)的樣品則不適宜用自動(dòng)進(jìn)樣排隊(duì)等待測(cè)試，因?yàn)榫磉呬X坩堝的蓋子上有洞，樣品容易揮發(fā)。*好是稱好樣品后馬上測(cè)試，或改用密封坩堝測(cè)試。

(5）制冷設(shè)備

DSC儀配有一個(gè)外置制冷機(jī)，可使?fàn)t溫降至-60℃，為防止結(jié)冰和冷凝，并有絕緣組件，吹掃氣體一定要環(huán)繞在爐體周圍，避免爐體和爐蓋凍結(jié)。機(jī)械制冷的*大特點(diǎn)是方便，比罐裝液氮省時(shí)省力，缺點(diǎn)是溫度降得越低，使用時(shí)間越長(zhǎng)，并且使用范圍不如液氮，液氮可使溫度降得更低。

需要注意的是制冷機(jī)不能在超過32℃的室溫條件下工作，*佳使用溫度為22℃。

2.工作原理

DSC的工作原理以功率補(bǔ)償型的為例，整個(gè)測(cè)試系統(tǒng)由兩個(gè)交替工作的控制回路組成。一個(gè)是平均溫度控制回路，另一個(gè)是差示溫度控制回路。如圖28-10所示。

圖28-10功率補(bǔ)償型DSC儀的工作原理

平均溫度控制回路的作用是以預(yù)定程序來(lái)改變爐腔溫度。通過溫度程序控制器發(fā)出一個(gè)與預(yù)期的試樣溫度TP成比例的電信號(hào)，這一電信號(hào)要先與由平均溫度計(jì)算器輸出的平均溫度TP’的電信號(hào)進(jìn)行比較，再由放大器輸出一個(gè)平均電壓。這一電壓同時(shí)加到設(shè)在試樣和參比支持器中的兩個(gè)獨(dú)立的加熱器上。隨著加熱電壓的改變，加熱器中的加熱電流也隨之改變，消除了TP與TP’之差，此時(shí)試樣和參比物均按預(yù)先設(shè)定好的程序，呈線性升溫或降溫。溫度程序控制器的電信號(hào)同時(shí)
也輸入到記錄儀中，作為DSC曲線的橫坐標(biāo)信號(hào)。平均溫度計(jì)算器輸出的電信號(hào)的大小取決于反映試樣和參比物溫度的電信號(hào)，它的功能是計(jì)算和輸出與參比物和試樣平均溫度相對(duì)應(yīng)的電信號(hào)，供與溫度程序電信號(hào)相比較。樣品的電信號(hào)由設(shè)在支持器中的鉑電阻測(cè)得。

差示溫度控制回路的作用是維持兩個(gè)樣品支持器的溫度始終相等，這種保持試樣和參比物的溫度差始終為零的工作原理稱為動(dòng)態(tài)零位平衡原理。

在差示溫度控制回路中，樣品和參比的溫差電信號(hào)經(jīng)變壓器耦合輸入到放大器，并經(jīng)放大后，再由雙管調(diào)制電路依據(jù)參比物溫度和試樣溫度間的溫度差來(lái)改變電流，并調(diào)整差示功率以保持試樣和參比物支持器的溫度差為零，并且將與差示功率成比例的電信號(hào)同時(shí)傳送到記錄儀中記錄下來(lái)，便得到DSC曲線，其峰的面積與物質(zhì)轉(zhuǎn)變所吸收或放出的熱量成正比。

差示掃描量熱儀測(cè)定玻璃化溫度的討論
      非晶態(tài)高聚物從玻璃態(tài)到橡膠態(tài)，有一個(gè)轉(zhuǎn)變——玻璃化轉(zhuǎn)變。這個(gè)轉(zhuǎn)變一般其溫度區(qū)間不超過幾度。但在轉(zhuǎn)變前后，模量的減少達(dá)三個(gè)數(shù)量級(jí)。在實(shí)用上是從硬而脆的固體變成韌性的橡膠。所以，玻璃化轉(zhuǎn)變是高聚物一個(gè)重要的特性。
      形成玻璃態(tài)的主要原因，可能是高聚物分子結(jié)構(gòu)不對(duì)稱，不能形成結(jié)晶；也可能是沒有足夠的能量去重排結(jié)晶。而且多數(shù)高聚物也只有在特定的條件下方能結(jié)晶。同時(shí)高聚物很難形成的結(jié)晶，總有部分非晶態(tài)存在，因此玻璃化轉(zhuǎn)變是高聚物普遍現(xiàn)象，只不過非晶態(tài)少的高聚物玻璃化轉(zhuǎn)變不明顯。
一，玻璃化轉(zhuǎn)變溫度的測(cè)定
      高聚物在玻璃化轉(zhuǎn)變時(shí)，除了力學(xué)性質(zhì)有很大變化，其他性質(zhì)如體積，熱力學(xué)性質(zhì)，    磁性質(zhì)等，都有很大變化。在理論上后面的變化更為重要。下面就簡(jiǎn)要介紹：
1，體積的變化
      用膨脹計(jì)測(cè)定玻璃化溫度是Z常用的方法。一般是測(cè)定高聚物的比體積對(duì)溫度的關(guān)系．把曲線兩端的直線部分外推至交點(diǎn)作為Tg(如圖1)
                                                                                                                                                                                                                                    
      從圖可以看出，玻璃化轉(zhuǎn)變同冷卻速率有關(guān)：冷卻的快。得出的Tg高；冷卻的慢，Tg就較低。同樣，加熱速率或快或慢，Tg也或高或低。產(chǎn)生這種現(xiàn)象的原因是體系沒有達(dá)到平衡。但要達(dá)到平衡，需要很長(zhǎng)的時(shí)間(無(wú)限長(zhǎng))，這在實(shí)驗(yàn)上做不到。通常采用的標(biāo)準(zhǔn)是每分鐘3℃。
      測(cè)量時(shí)．常把試樣在封閉體系中加熱或冷卻，體積的變化通過填充液體的液面升降而讀出、這種液體不能和高聚物發(fā)生反應(yīng)或溶解、溶脹，Z常用的是水銀、也有人用空氣作測(cè)量的流體，達(dá)時(shí)可測(cè)定壓力的變化。
      其它與體積有關(guān)的性質(zhì)也可用于測(cè)定，加試樣的折射系數(shù)、X射線的吸收等。
2，熱力學(xué)方法
      量熱方法也是測(cè)定玻璃化溫度的常用方法。在Tg時(shí)，熱焓有明顯變化，熱容有—個(gè)突變。自從有了差熱分析(DTA)和差示掃描量熱計(jì)后，量熱方法變得更為重要。
      象體積變化一樣，熱焓和熱容的變化也和速率有關(guān)：圖2表示比體積（V）和焓(H)對(duì)溫度的關(guān)系，圖3表示體膨脹系數(shù)和熱容對(duì)溫度的關(guān)系，都出現(xiàn)行“滯后”現(xiàn)象。圖中曲線1是緩慢冷卻，曲線2是正常冷卻和升溫，曲線3是快速冷卻；曲線1、3是正常升溫。
3，核磁共振法(NMR)
      利用電磁性質(zhì)的變化研究高聚物玻璃化轉(zhuǎn)變的方法是核磁共振法(NMR)。
      在分子運(yùn)動(dòng)開始前，分子中的質(zhì)子處于各種不同的狀態(tài)，因而反映質(zhì)子狀態(tài)的NMR譜線很寬。當(dāng)濕度升高，分子運(yùn)動(dòng)加速后，質(zhì)子的環(huán)境被平均化，共振譜線變窄，到了Tg時(shí)譜線的寬度有了很大改變。圖5給出了聚氯乙烯的NNR線寬(ΔH)的變化。由圖5可得Tg為82℃。
 

圖2 非晶高聚物焓和溫度的關(guān)系                    圖3 非晶高聚物熱容和溫度的關(guān)系
         除上述方法外，這里再列舉幾種測(cè)定玻璃化轉(zhuǎn)變的方法，如圖6、7、8所示。圖6為甲基丙烯酸丙酯的折光率—溫度曲線。由圖6可見，T> Tg, dn/dT增加，即鏈段開始運(yùn)動(dòng)后光線在聚合物中的傳播速度增加；圖7為天然橡膠導(dǎo)熱系數(shù)——溫度曲線?？梢钥闯?，T>Tg時(shí)，鏈段的無(wú)規(guī)熱運(yùn)動(dòng)阻礙了熱能的定向傳導(dǎo)，使λ值急劇減?。粓D8為聚酯酸乙烯酯的膨脹率——溫度曲線。說(shuō)明了T>Tg時(shí)，由于鏈段運(yùn)動(dòng)，“自由空間”增加，則dv/dT值急劇增大。
 
4，其他方法
      上面的這些測(cè)量方法多以玻璃化過程中發(fā)生的物理現(xiàn)象為基礎(chǔ)。以不同物理量為準(zhǔn)則的測(cè)量方法,所得玻璃化溫度各不相同,而且試驗(yàn)測(cè)量也相當(dāng)費(fèi)力和耗時(shí),而從自由體積理論、熱力學(xué)理論和動(dòng)力學(xué)理論來(lái)計(jì)算玻璃化溫度尚存在許多問題 。因此,有人另辟蹊徑對(duì)聚合物的玻璃化溫度作合理的推測(cè)。下面以硬脂酸乙烯酯+ 乙酸乙烯酯+ 氯乙烯體系形成的三元聚合物為例,采用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法,建立了進(jìn)料組成中各組分的摩爾分?jǐn)?shù)、鏈節(jié)重量分?jǐn)?shù)和聚合度等與玻璃化溫度的定量映射關(guān)系,進(jìn)而對(duì)未知條件下的三元聚合物玻璃化溫度作出了預(yù)測(cè)。
      神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)作為一種并行仿生信息處理系統(tǒng),由若干層神經(jīng)元組成,各層神經(jīng)元之間通過聯(lián)接權(quán)進(jìn)行信息傳遞與交換。本文采用具有三層結(jié)構(gòu)的逆?zhèn)鞑ド窠?jīng)網(wǎng)絡(luò)模型,網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)
構(gòu)如圖1 所示。各層神經(jīng)元之間的信息通過SIGMOID 函數(shù)進(jìn)行傳遞,以SDEC 為迭代收斂判據(jù),以SDEP 表達(dá)網(wǎng)絡(luò)的預(yù)測(cè)能力[3 ] 。二者定義如下:

      式中SQRT 表示取平方根,i 和j 分別為訓(xùn)練集和測(cè)試集中的樣本序號(hào),加和分別遍及訓(xùn)練集和測(cè)試集所有樣本點(diǎn),yexp 、ycal和ypred分別為實(shí)驗(yàn)值、標(biāo)定值和預(yù)測(cè)值。網(wǎng)絡(luò)的權(quán)值調(diào)整按如下方式進(jìn)行wij = w ij +αδi x j +ηΔw ij
      其中w ij為上一層中神經(jīng)元i 到下一層神經(jīng)元j 的聯(lián)接權(quán), x j為相應(yīng)神經(jīng)元的輸出值,δ為對(duì)應(yīng)神經(jīng)元的誤差項(xiàng),ΔWij為上次迭代權(quán)值與前次迭代權(quán)值之差,a和η分別稱為學(xué)習(xí)效率和沖量因子。有關(guān)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)逆?zhèn)鞑ニ惴ǖ脑敿?xì)內(nèi)容參見文獻(xiàn)[4 ,5 ] 。 玻璃化溫度標(biāo)志著聚合物物理性質(zhì)的巨大變化。在Tg 以上,玻璃態(tài)聚合物將變得柔順而趨向于流動(dòng)。要對(duì)Tg 做出預(yù)測(cè),首先要了解影響Tg 的因素。在相同的試驗(yàn)條件下,影響聚合物Tg 的主要因素是聚合物的結(jié)構(gòu)特性。包括鏈的柔性、支化情況、鏈規(guī)整性和聚合物的分子量。對(duì)于聚合物來(lái)說(shuō),不同成分的鏈節(jié)比例及各組成鏈節(jié)的重量分?jǐn)?shù)都將影響Tg 值。鏈的柔性取決于組成主鏈的化學(xué)結(jié)構(gòu)的本性,化學(xué)鏈易旋轉(zhuǎn)的柔性鏈趨向于有低的Tg,若某種集團(tuán)的引入阻礙鏈的旋轉(zhuǎn)而使其僵硬,則會(huì)使Tg 升高,側(cè)鏈的生成將阻礙鏈的旋轉(zhuǎn),從而提高Tg 值,側(cè)鏈越大,這種效應(yīng)越明顯。另一方面,側(cè)鏈的增大,降低了聚合物鏈間作用力,弱化了分子間力對(duì)Tg 的影響,側(cè)鏈效應(yīng)具有雙重作用。從聚合物的鏈節(jié)成分比例看,各組成成分的差異,影響了鏈的規(guī)整性,規(guī)整性好,利于分子的斂集,限制了分子的內(nèi)旋轉(zhuǎn),使玻璃化溫度Tg 升高。從分子量效應(yīng)看,隨聚合物分子量的增加,端基分率減小,自由體積減小,鏈的自由度也減小,Tg 值則升高。

      綜合上述分析,在處理硬脂酸乙烯酯+ 乙酸乙烯酯+ 氯乙烯三元共聚體系時(shí),我們選擇了合成聚合物時(shí) 進(jìn)料組成中三個(gè)成分的摩爾分?jǐn)?shù)(X1 ,X2 ,X3) ,以此表達(dá)聚合物組成鏈節(jié)比例的數(shù)量效應(yīng),考慮到各單體重量上的差異,我們選擇了聚合物中硬脂酸乙烯酯的重量分?jǐn)?shù)和乙酸乙烯酯的重量分?jǐn)?shù)來(lái)表示鏈節(jié)組成上的重量效應(yīng)(W1 ,W2) 鏈的柔性、規(guī)整性及支化情況均與此組成效應(yīng)相關(guān),比如當(dāng)硬脂酸乙烯酯的重量分?jǐn)?shù)超過約0. 4 時(shí),聚合物鏈出現(xiàn)支化。對(duì)于分子量效應(yīng),我們選擇了聚合度(N) 來(lái)表達(dá)。這樣我們得到6 個(gè)影響Tg 的因素,由此構(gòu)成6 維空間R6 (X1 ,X2 ,X3 ,W1 ,W2 ,N) ,而聚合物的Tg 將構(gòu)成一維空間R1 ( Tg) ,為建立兩個(gè)空間的聯(lián)系,我們選擇神經(jīng)網(wǎng)絡(luò),采用631 網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),即輸入層設(shè)置6 個(gè)節(jié)點(diǎn),分別對(duì)應(yīng)于6 個(gè)影響因素,輸出層設(shè)置1 個(gè)節(jié)點(diǎn),對(duì)應(yīng)于Tg 的響應(yīng)值,隱含層設(shè)置3 個(gè)節(jié)點(diǎn),以適應(yīng)由6 維空間到1 維空間映射的復(fù)雜性要求。訓(xùn)練過程的學(xué)習(xí)效率取為0. 35 ,沖量因子取為0. 85 。從文獻(xiàn)中收集到的數(shù)據(jù)如表1 所示,取其中前36 組數(shù)據(jù)作為訓(xùn)練集,其余12 組數(shù)據(jù)為測(cè)試集。以訓(xùn)練集數(shù)據(jù)訓(xùn)練神經(jīng)網(wǎng)絡(luò),構(gòu)造由6 維空間到1 維空間的映射關(guān)系,當(dāng)SDEC 達(dá)到4. 6915 時(shí),網(wǎng)絡(luò)迭代8800 次,此時(shí)停止訓(xùn)練并轉(zhuǎn)入對(duì)測(cè)試集的預(yù)測(cè),以檢驗(yàn)訓(xùn)練模型的預(yù)測(cè)能力,得到的SDEP 值為3. 2253 。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練過程中誤差演化曲線如圖9 所示,實(shí)驗(yàn)值和預(yù)測(cè)值之間關(guān)系如圖10 所示。從圖9 可以看出,訓(xùn)練過程是收斂的,說(shuō)明學(xué)習(xí)效率和沖量因子的選擇是合理的。從圖10 可以看出,實(shí)驗(yàn)值和預(yù)測(cè)值是比較接近的,說(shuō)明由神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)得到的模型是可靠的,實(shí)現(xiàn)的由6 維空間到1維空間的映射關(guān)系是正確的。

圖9  神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練過程中的誤差演化曲線       圖10  Tg計(jì)算值，實(shí)驗(yàn)值，預(yù)測(cè)值之間的關(guān)系
二，玻璃化轉(zhuǎn)變的理論
      玻璃化轉(zhuǎn)變有很多理論，但不外乎從熱力學(xué)的角度去計(jì)算理想玻璃態(tài)的熵，或是從玻璃化轉(zhuǎn)變的松弛現(xiàn)象去考慮動(dòng)力學(xué)過程。
1，自由體積理論
      自由體積理論認(rèn)為高聚物的體積是有兩部分組成的，一部分是大分子本身的占有體積，另一部分是分子間的空隙，后者即為自由體積。在溫度比較高時(shí)，自由體積較大，能夠發(fā)生鏈段的短程擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)，而不斷地進(jìn)行構(gòu)象重排。溫度降低，自由體積減小，降至Tg以下時(shí)，自由體積減小到一臨界值一下，此時(shí)鏈段的短程擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)已不能發(fā)生，高聚物表現(xiàn)為固體的性質(zhì)，這是就發(fā)生了玻璃化轉(zhuǎn)變。
      WLF方程預(yù)示了玻璃化轉(zhuǎn)變的等自由體積狀態(tài)。根據(jù)WLF方程
                      (1)
      根據(jù)Doolittle經(jīng)驗(yàn)式，并假定在Tg時(shí)，自由體積分?jǐn)?shù)為fg ；在Tg以上時(shí)，自由體積分?jǐn)?shù)隨溫度線性變化。
                        (2)
由此可推導(dǎo)出WLF方程式的類似形式
             (3)
于是，C1=B/2.303fg, C2=。B是Doolittle方程中的常數(shù)，近似等于1。
從許多實(shí)驗(yàn)事實(shí)，發(fā)現(xiàn)在大部分非晶態(tài)高聚物中，
C1=17.44   C2=51.6                     (4)
由此，。這就是說(shuō)，玻璃化轉(zhuǎn)變時(shí)高聚物的自由體積都等于
體積的2.5%。
      上述結(jié)論可以用圖12加以具體說(shuō)明。Fox和Flory認(rèn)為：在Tg時(shí)，玻璃態(tài)的比體積是Vg。其中部分是大分子的占由體積Vo’。Vo是零度時(shí)的占有體積，隨溫度上升，分子熱運(yùn)動(dòng)振幅增大，引起占有體積膨脹，替膨脹系數(shù)是βg。Vg中的另一部分是自由體積Vf，在Tg以下，分子運(yùn)動(dòng)凍結(jié)，Vf被凍結(jié)在高聚物中不再變化。于是，T=Tg時(shí)，比體積是
                 (5)
而T>Tg時(shí)，比體積是
                     (6)
式中βr是Tg以上的替膨脹系數(shù)，這時(shí)，除了占有體積的正常膨脹外，自由有體積也在膨脹，
 
      從圖12可以知道，自幼體積膨脹系數(shù)就是Δβ，Δβ=βr-βg=βf。當(dāng)溫度降到Tg時(shí)，自由體積的分?jǐn)?shù)達(dá)到臨界值，等于2.5%。這時(shí)，高聚物進(jìn)入玻璃態(tài)。
      自由體積理論是一個(gè)玻璃化轉(zhuǎn)變處于一個(gè)等自由體機(jī)狀態(tài)的理論，談隨著冷卻速率不同，高聚物的Tg并不一樣，因此Tg時(shí)的自由體機(jī)并不相同，同時(shí)，自由體積理論認(rèn)為Tg以下自由體積不變，實(shí)際是會(huì)變得。Kovacs曾對(duì)高聚物的體積松弛做過大量的研究工作，他把淬火后的高聚物恒溫放置，發(fā)現(xiàn)高聚物的體積隨著放置時(shí)間的變長(zhǎng)而不斷變小，這表明自由體積在不斷減小，但減小的速率越來(lái)越慢。高聚物中自由體的多少和其物性關(guān)系很大。
2，熱力學(xué)理論
      按照Ehrenfedst對(duì)平衡熱力學(xué)的定義，轉(zhuǎn)變可以分成一級(jí)轉(zhuǎn)變和二級(jí)轉(zhuǎn)變。如轉(zhuǎn)變前后的兩種物態(tài)分別用下標(biāo)1、2表示，則在轉(zhuǎn)變點(diǎn)兩種物態(tài)的Gibbs自由能應(yīng)相等，即
F1=F2                               (7)
      但在轉(zhuǎn)變點(diǎn)對(duì)一級(jí)相變來(lái)說(shuō)，自由能對(duì)溫度T、壓力P的一階導(dǎo)數(shù)在轉(zhuǎn)變時(shí)是不連續(xù)的；而對(duì)二級(jí)轉(zhuǎn)變來(lái)說(shuō)，二階導(dǎo)數(shù)是不連續(xù)的；
一級(jí)轉(zhuǎn)變
                                                     (8)
二級(jí)轉(zhuǎn)變
             (9)
根據(jù)熱力學(xué)的關(guān)系，可以明確自由能F對(duì)T,P的一階導(dǎo)數(shù)和二階導(dǎo)數(shù)的物理意義。因?yàn)?/span>
                (10)
其中S熵，V是體積，Cp是熱容，β是體膨脹系數(shù)，κ是壓縮系數(shù)。
因此，一級(jí)相變，在轉(zhuǎn)折點(diǎn)，兩種物態(tài)的熵和體積不相等。
                                 (11)
二級(jí)轉(zhuǎn)變，在轉(zhuǎn)變點(diǎn)，兩種物態(tài)的Cp，β，κ不相等
                          (12)
      在玻璃化轉(zhuǎn)變時(shí)，高聚物的Cp，β，κ恰恰都有不連續(xù)性，所以通常把玻璃化轉(zhuǎn)變看作是二級(jí)相變，其實(shí)并沒達(dá)到熱力學(xué)平衡，因而不是真正的二級(jí)相變。
Gibbs和Dimarzio的理論，是玻璃化轉(zhuǎn)變的熱力學(xué)理論Z嚴(yán)密的代表，它通過對(duì)構(gòu)象熵隨溫度的變化進(jìn)行了復(fù)雜的數(shù)學(xué)處理，證明通過T2(高聚物熵為零真正二級(jí)轉(zhuǎn)變時(shí)的溫度)時(shí)，F(xiàn)和S是連續(xù)變化的，內(nèi)能和體積也是連續(xù)變化的，但Cp和α不連續(xù)變化，從而從理論上預(yù)言，在T2時(shí)存在真正的熱力學(xué)二級(jí)相變。
      G—D理論認(rèn)為，盡管事實(shí)上無(wú)法達(dá)到T2,因而無(wú)法用實(shí)驗(yàn)證明其存在。但是，在正常動(dòng)力學(xué)條件下觀察到的實(shí)驗(yàn)的玻璃化轉(zhuǎn)變行為和T2處的二級(jí)轉(zhuǎn)變非常相似，T2和Tg是彼此相關(guān)的，影響它們的因素應(yīng)該相互平行，因此，理論得到了關(guān)于T2的結(jié)果，應(yīng)當(dāng)也適用于Tg。在這樣的框架內(nèi)，得到了一系列結(jié)果，很好的說(shuō)明了玻璃化轉(zhuǎn)變行為與交聯(lián)密度，增塑，共聚和分子量的關(guān)系，也解釋了壓力對(duì)T2,Tg的影響。
      G—D理論認(rèn)為T2時(shí)存在真正的二級(jí)熱力學(xué)轉(zhuǎn)變，因此壓力對(duì)Tg的影響可以直接從平衡熱力學(xué)關(guān)系式求出。對(duì)于—級(jí)相轉(zhuǎn)變，轉(zhuǎn)變溫度的壓力依賴性由clapeyron方程確定
                                                    (13)
此式不能直接應(yīng)用于二級(jí)轉(zhuǎn)變，因?yàn)榇藭r(shí)ΔV和ΔS都為零，dT/dP不確定。但是，我們可以援引L’Hopital法則，將式(13)右邊的分子和分母分別求導(dǎo)，以求得極限值。將式
(13)右邊的分子和分母分別對(duì)T求導(dǎo)，并根據(jù)式(12)可得
                (14)
如果對(duì)壓力求導(dǎo),則結(jié)果為
                   (15)
所以壓力對(duì)T2的影響，當(dāng)然也就是對(duì)的影響，可以用式(14)和(15)表示。式
(15)和自由體積理論的結(jié)果式相同，并與實(shí)驗(yàn)結(jié)果基本相符，說(shuō)明G—D理論是成功的。
    G—D理論預(yù)言的熱力學(xué)二級(jí)轉(zhuǎn)變溫度T2，可以由WLF方程求出。當(dāng)取Tg作為參考溫度時(shí)
              (16)
式中。稱為移動(dòng)因子，是溫度為時(shí)的松弛時(shí)間，C1和C2兩個(gè)經(jīng)驗(yàn)常數(shù)此時(shí)可取近似普適值．分別等于17.44和51.6。根據(jù)前面的分析，到T= T2時(shí)，構(gòu)象重排需要無(wú)限長(zhǎng)的時(shí)間，即；或者說(shuō)，為將一個(gè)有著無(wú)限時(shí)間標(biāo)尺的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，移動(dòng)到有限的時(shí)間標(biāo)尺，必須取。顯然，滿足上述條件，方程式(16)右邊的分子維持有限值時(shí)，分母必須變?yōu)榱悖?/span>
C2+T2－=0                              (17)
因而
T2= －C2≈－52                       (18)
2，動(dòng)力學(xué)理論
      玻璃化轉(zhuǎn)變現(xiàn)象有著明顯的動(dòng)力學(xué)性質(zhì)，Tg與實(shí)驗(yàn)時(shí)間標(biāo)尺有關(guān)，因此有人認(rèn)為玻璃化轉(zhuǎn)變是由動(dòng)力學(xué)方面的因素引起的。
      Z初的動(dòng)力學(xué)理論認(rèn)為，當(dāng)高聚物收縮時(shí)，體積收縮有兩部分組成：一是連鍛的運(yùn)動(dòng)降低，另一部分是連鍛的構(gòu)象重排成能量較低狀態(tài)，后者又一個(gè)松弛時(shí)間。在降溫過程中，當(dāng)構(gòu)想重排的松弛時(shí)間適應(yīng)不了降溫速度，這種運(yùn)動(dòng)就被凍結(jié)出現(xiàn)玻璃化轉(zhuǎn)變。
      動(dòng)力學(xué)理論的另一類型式位壘理論，這些理論認(rèn)為大分子構(gòu)想重排時(shí)涉及到主鏈上單鍵的旋轉(zhuǎn)，鍵在旋轉(zhuǎn)時(shí)存在位壘，當(dāng)溫度在Tg以上時(shí)，分子運(yùn)動(dòng)有足夠的能量去克服位壘，達(dá)到平衡。但當(dāng)溫度降低時(shí)，分子熱運(yùn)動(dòng)的能量不足以克服位壘，于是便發(fā)生了分子運(yùn)動(dòng)的凍結(jié)。
三，影響玻璃化溫度的因素
      由于玻璃化轉(zhuǎn)變是與分子運(yùn)動(dòng)有關(guān)的現(xiàn)象，而分子運(yùn)動(dòng)又和分子結(jié)構(gòu)有著密切關(guān)系，所以分子鏈的柔順性、分子間作用力以及共聚、共混、增塑等都是影響高聚物Tg的重要內(nèi)因。此外，外界條件如作用力、作用力速率,升(陣)溫速度等也是值得注意的影響因索。
1．化學(xué)結(jié)構(gòu)
(1) 鏈的柔順性
      分子鏈的柔順性是決定高聚物Tg的Z重要的因素。主鏈柔順性越好，玻璃化溫度越低。
      主鏈由飽和單鍵構(gòu)成的高聚物，因?yàn)榉肿渔溈梢怨潭▎捂I進(jìn)行內(nèi)旋轉(zhuǎn)，所以Tg都不高，特別是沒有極性側(cè)基取代時(shí)，其Tg更低。不同的單鍵中，內(nèi)旋轉(zhuǎn)位壘較小的，Tg較低。例如，

      主鏈中含有孤立雙鍵的高聚物，雖然雙鍵本身不能內(nèi)旋轉(zhuǎn)，但雙鍵旁的α單鍵更易旋轉(zhuǎn)，所以Tg都比較低。例如，丁二烯類橡膠都有較低的玻璃化溫度。

(2)取代基
      旁側(cè)基團(tuán)的極性，對(duì)分子鏈的內(nèi)旋轉(zhuǎn)和分子間的相互作用都會(huì)產(chǎn)生很大的影響。側(cè)基的極性越強(qiáng)，Tg越高。一些烯烴類聚合物的Tg與取代基極性的關(guān)系如表2所示。
表2  烯烴高聚物取代基的極性和Tg的關(guān)系

      此外，增加分子鏈上極性基團(tuán)的數(shù)量，也能提高高聚物的Tg.但當(dāng)極性基團(tuán)的數(shù)量超過一定值后，由于它們之間的靜電斥力超過吸引力，反而導(dǎo)致分子鏈間距離增大，Tg下降。取代基的位阻增加，分子鏈內(nèi)旋轉(zhuǎn)受阻礙程度增加，Tg升高。
      應(yīng)當(dāng)強(qiáng)調(diào)指出，側(cè)基的存在并不總是使Tg增大的。取代基在主鏈上的對(duì)稱性對(duì)Tg也有很大影響，聚偏二氯乙烯中極性取代基對(duì)稱雙取代，偶極抵銷一部分，整個(gè)分子極性矩減小，內(nèi)旋轉(zhuǎn)位壘降低，柔性增加，其Tg比聚氯乙烯為低；而聚異丁烯的每個(gè)鏈節(jié)上， 有兩個(gè)對(duì)稱的側(cè)甲基，使主鏈間距離增大，鏈間作用力減弱，內(nèi)旋轉(zhuǎn)位壘降低，柔性增加，其Tg比聚丙烯為低。又如，當(dāng)高聚物中存在柔性側(cè)基時(shí)，隨著側(cè)基的增大，在一定范圍內(nèi)，由于柔性側(cè)基使分子間距離加大，相互作用減弱，即產(chǎn)生“內(nèi)增塑”作用，所以，Tg反而下降。
(3)幾何異構(gòu)
      單取代烯類高聚物如聚丙烯酸酯、聚苯乙烯等的玻璃化溫度幾乎與它們的立構(gòu)無(wú)關(guān)，而雙取代烯類高聚物的玻璃化溫度都與立構(gòu)類型有關(guān)。一般，全同立構(gòu)的Tg較低，間同立構(gòu)的Tg較高。在順反異構(gòu)中，往往反式分子鏈較硬，Tg較大。
(4)離子鍵的引入
      分子鏈間有離子鍵可以顯著提高Tg。例如，聚丙烯酸中加入金屬離子，Tg會(huì)大大提高，其效果又隨離子的價(jià)數(shù)而定。用Na+使Tg從l06℃提高到280℃；用Cu2+取代Na+， Tg提高到500℃。
2，其他結(jié)構(gòu)因素的影響
(1) 共聚
      無(wú)規(guī)共聚物的Tg介于兩種共聚組分單體的Tg之間，并且隨著共聚組分的變化，其Tg在兩種均聚物的Tg之間線性或非線性變化。
      非無(wú)規(guī)共聚物中，Z簡(jiǎn)單的是交替共聚，他們可以看成是兩種單體組成一個(gè)重復(fù)單元的均聚物，因此只有一個(gè)Tg。而嵌段或接枝共聚物情況就復(fù)雜多了。
(2)交聯(lián)
       隨著交聯(lián)點(diǎn)的增加，高聚物自由體積減少，分子鏈的運(yùn)動(dòng)受到約束的程度也增加，相鄰交聯(lián)點(diǎn)之間平均鏈長(zhǎng)變小，所以Tg升高。
(3)分子量
      分子量的增加使Tg增加，特別是在分子量很小時(shí)，這種影響明顯，當(dāng)分子量超過一定的程度后，Tg隨分子量變化就不明顯了。
(4)增塑劑和稀釋劑
      增塑劑對(duì)Tg的影響也是相當(dāng)顯著的，玻璃化溫度較高的聚合物在加入增塑劑后，可以使Tg明顯下降。例如：純的聚氯乙烯Tg=78℃,在室溫下是硬塑料，加入45%的增塑劑后，Tg=-30℃，可以作為橡膠代用品。淀粉的玻璃化溫度在加水前后就有明顯的變化。

（來(lái)源：北京恒久實(shí)驗(yàn)設(shè)備有限公司）

      差示掃描量熱法（DSC）作為一種可控程序溫度下的熱效應(yīng)的經(jīng)典熱分析方法，在當(dāng)今各類材料與化學(xué)領(lǐng)域的研究開發(fā)、工藝優(yōu)化、質(zhì)檢質(zhì)控與失效分析等各種場(chǎng)合早已得到了廣泛的應(yīng)用。利用DSC方法，我們能夠研究無(wú)機(jī)材料的相轉(zhuǎn)變、高分子材料熔融、結(jié)晶過程、藥物的多晶型現(xiàn)象、油脂等食品的固/液相比例等。

      差示掃描量熱儀正是利用上述方法的儀器，差示掃描量熱儀該如何使用，操作步驟是什么？

差示掃描量熱儀基本操作步驟

1.打開氮?dú)?，調(diào)整到0.1MPa。

（來(lái)源：北京恒久實(shí)驗(yàn)設(shè)備有限公司 ）

      DTA(差熱分析儀）只可以做定性或者是半定量分析，但是DSC（差示掃描量熱儀）可以做嚴(yán)格的定量分析，原因在于DTA獲得的是deltaT與溫度T之間的關(guān)系，而DSC獲得的是deltaH與T之間的關(guān)系，因此前者無(wú)法定量分析，但后者可以。

      差示掃描量熱儀和差熱分析儀所測(cè)出來(lái)的曲線趨勢(shì)大致一樣，就是物理意義不同，差示掃描量熱儀測(cè)量的是程序控制溫度條件下，樣品和參比物之間功率差與溫度的關(guān)系，而差熱分析儀測(cè)量的是程序控制溫度條件下，樣品和參比物之間溫度差與溫度或時(shí)間的關(guān)系。從熱學(xué)和熱統(tǒng)的知識(shí)看，他們曲線是一致的。升溫過程中，樣品開始開始反應(yīng)時(shí)的升溫速率和程序控制的升溫速率是不一致的，是因?yàn)闃悠烽_始開始反應(yīng)時(shí)的升溫速率起初可能跟不上程序控制的升溫速率，導(dǎo)致溫度有一定的滯后。

      差示掃描量熱儀（DSC）將與材料轉(zhuǎn)變相關(guān)聯(lián)的溫度和熱流作為時(shí)間和溫度的函數(shù)進(jìn)行確定。該儀器還提供物理轉(zhuǎn)變（由相變化、熔化、氧化以及其他與熱相關(guān)的變化引起）期間材料吸熱（熱量吸收）和放熱（熱量散發(fā)）過程的定量與定性數(shù)據(jù)。