用DSC差示扫描量热仪简单测定聚合物的热导率
- 发表时间:2021-06-10
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简单的DSC差示扫描量热仪测量可用于快速确定聚合物和其他材料的热导率,其具有类似的低值,准确度约为 ±10 至 ±20%。 Hakvoort 和 van Rejien 于 1985 年发布了执行此操作的程序。在这种方法中,测量圆柱形样品或圆盘顶部的纯金属的熔化行为。为了简化样品处理,我们修改了方法,将金属放入坩埚中。测量了 11 种聚合物的热导率,并将结果与文献值进行了比较。我们获得的值平均比文献值低约 4%。如果您考虑到与热导率测量相关的一般测量不确定性,则此偏差很小。
介绍
南京汇诚仪器提出了一种有趣的方法来确定固体材料的热导率。这包括将纯金属(例如铟或镓)放在正圆柱体或圆盘形状的样品的上圆形端面上,然后将圆盘(不带坩埚)直接放在 DSC差示扫描量热仪测量传感器上。在加热过程中,金属达到其熔点,并且在金属熔化时温度保持恒定。因此,此时盘的上端表面的温度是已知的。圆盘下端面的温度和流入圆盘的热量DSC差示扫描量热仪测量。然后可以根据圆盘上下端面之间的温差和热流计算样品的热导率。 除了DSC差示扫描量热仪,现在还有许多专门设计用于测定热导率的仪器。然而,DSC差示扫描量热仪 的优点是比热容也可以用相同的仪器测量。这允许确定材料的热扩散率 (λ/(ρcp)。最近重新引入了上述使用金属的方法来确定复合材料和新材料的特性。在下面的文章中,我们将描述一种简单的DSC差示扫描量热仪方法,该方法可以快速测定聚合物的热导率,通常测量不确定度为10%。
理论背景
在静止条件下,通过具有热阻 Rs 的物体的热流 φ 与温差 ΔT 成正比:材料的热阻 Rs 由与材料相关的热导率和几何形状给出主体的:这里 λ 是热导率,A 是横截面积,h 是主体的长度。
对于直径为 D 和高度为 h 的圆柱形样品,图 1 显示了用于通过 DSC差示扫描量热仪 确定材料热导率的设置。从传感器到纯金属的热流不仅取决于样品的热阻,还取决于传感器-样品 (R1) 和样品-金属 (R2) 界面的热阻。因此,方程 (1) 必须改写如下: 为确保热阻 R1 和 R2 可重现,界面处的空间填充有导热油。因此,如果始终使用相同的样品横截面,则可以假设 R1 和 R2 与样品无关。仅当方程 4 和 5 中的 φ、RT、Tm 和 Ts 已知时,才能确定 Rs 以及样品的热导率。熔化过程中的 Tm 值是已知的,因为使用的是纯金属。φ 和 Ts 的值是从 DSC差示扫描量热仪 测量中获得的,而 RT 可以通过执行多次测量来确定。如果 RT 远小于 Rs,则 RT 甚至可以忽略不计,λ 可以从单个熔解曲线确定。结合方程 1 和 2 得到方程 6:方程 6 仅在熔化过程中有效。ΔT 是时间 t 处的温度 Ts 与金属熔点(即开始熔化的温度,Tonset)之间的差值。对应的热流 φ 是同一时刻 t 的热流与熔化开始时的热流之差(见图 2)。因此,S 是熔化峰线性侧的斜率。那么 RT 甚至可以忽略不计,λ 可以从单个熔解曲线确定。结合方程 1 和 2 得到方程 6:方程 6 仅在熔化过程中有效。ΔT 是时间 t 处的温度 Ts 与金属熔点(即开始熔化的温度,Tonset)之间的差值。对应的热流 φ 是同一时刻 t 的热流与熔化开始时的热流之差(见图 2)。因此,S 是熔化峰线性侧的斜率。那么 RT 甚至可以忽略不计,λ 可以从单个熔解曲线确定。结合方程 1 和 2 得到方程 6:方程 6 仅在熔化过程中有效。ΔT 是时间 t 处的温度 Ts 与金属熔点(即开始熔化的温度,Tonset)之间的差值。对应的热流 φ 是同一时刻 t 的热流与熔化开始时的热流之差(见图 2)。因此,S 是熔化峰线性侧的斜率。对应的热流 φ 是同一时刻 t 的热流与熔化开始时的热流之差(见图 2)。因此,S 是熔化峰线性侧的斜率。对应的热流 φ 是同一时刻 t 的热流与熔化开始时的热流之差(见图 2)。因此,S 是熔化峰线性侧的斜率。
用DSC差示扫描量热仪 可以很容易地测定聚合物的热导率;测量不确定度通常小于 20%。获得的测量值与文献值偏差的 -4% 值与基于 ASTM 标准 E1952 的实验室间研究结果相当(-6% 平均测量偏差,重复性 r 为 12%)。标准程序基于几个温度调制的 DSC差示扫描量热仪 测量。它需要准确已知的参考物质,并且评估涉及复杂的数学计算。尽管 ASTM E1952 程序的时间和复杂性要高得多,但测量的热导率值并不比使用此处使用的简单方法获得的值更准确。此外,在 E1952 标准的实验室间研究中只测量了两种聚合物。相比之下,这里测量了 11 种不同的材料,并确定了更广泛的热导率范围。样品圆柱体或圆盘的高度应约为 1 至 3 毫米,且直径必须与装有纯金属的坩埚底部相同。在熔融状态下,金属必须完全覆盖坩埚底部。如果使用镓作为参考金属,铝坩埚必须在内部涂上一层漆,以防止形成合金。传感器和样品之间以及样品和坩埚之间的空间充满油,以便尽可能地再现热阻。此外,样品盘的端面必须是平的。DSC差示扫描量热仪 应以通常的方式调整,只使用坩埚和金属(即没有圆柱形样品),使熔化焓和熔化温度与文献值一致。 通常,我们建议您根据 eq 9 进行测定,使用有和没有样品的测量。
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