差示掃描量熱儀（DSC）在本科實驗教學中的實踐與應用

摘要：通過利用差示掃描量熱儀，我們設計了一堂本科生儀器演示實驗——高密度聚乙烯熔點的測定。該實驗是本科高分子材料專業課程“聚合物近代儀器分析”中的一部分，該演示實驗可以幫助學生更深入地了解儀器的結構組成和原理，并學習如何優化實驗條件和進行數據分析。此外，這個實驗也為學生在科學研究方面繼續深造打下了堅實的基礎。

關鍵詞：差示掃描量熱儀；實驗教學；高密度聚乙烯

UndergraduateExperimentalTeachingPractice

ofDifferentialScanningCalorimeter

ZhangXuliangChenShuangyingGuoFushuiHaoLiantao

TheAnalysisandTestingCenterofShandongUniversityofTechnologyShandongZibo255000

Abstract：Wecreatedaninstrumentdemonstrationexperimentforundergraduatestodeterminethe meltingpointofhighdensitypolyethyleneusingadifferentialscanningcalorimeter.The"ModernInstrumentalAnalysisofPolymers"courseincludestheexperiment.Throughthisdemonstrationexperiment，studentscanlearnhowtoimproveexperimentalconditions，conductdataanalysis，anddevelopagreatergraspoftheinstrument'sstructuralcompositionandprinciple.Furthermore，theexperimentestablishedastrongbasisforstudentstopursuefurtherresearchinscience.

Keywords：Differentialscanningcalorimeter；Experimentalteaching；Highdensitypolyethylene

熱分析方法是指在程序控制溫度下，測量物質的物理性質與溫度關系的一門技術。所謂“程序控制溫度”是指用固定的速率加熱或冷卻，而“物理性質”則包括物質的質量、溫度、熱焓、尺寸、機械、電學、聲學及磁學性質等［12］。物質在溫度變化過程中，常常伴隨宏觀物理、化學等性質的變化，宏觀上的這些性質變化通常又與物質的組成和微觀結構相關聯。通過測量和分析物質在加熱或冷卻過程中的物理、化學性質的變化，可以對物質進行定性、定量分析，從而實現對物質的結構鑒定，為新材料的研究和開發提供熱性能數據和精細結構信息。熱分析方法廣泛應用于化學化工、冶金、地質、物理、陶瓷、建材、生物化學、藥學、地球化學、航天、石油、煤炭、環保、考古、食品等領域。

根據所測物質物理性質的不同，國際熱分析協會將熱分析技術分為9大類17種，其中熱重法、差示掃描量熱法、動態熱機械分析儀是比較常用的三種方法。熱分析技術的優點主要有：可在寬廣的溫度范圍內對樣品進行研究；可使用不同的升降溫速率；對樣品的物理狀態無特殊要求；所需樣品質量可以很少（mg級別）；機器靈敏度高；可與其他技術聯用獲得更多的信息，如：TGDTA、TGDSC、TGMS、TGGC、TGIR等。

在我們學校的高分子材料與工程本科專業中，儀器演示實驗通常是作為“聚合物近代儀器分析”課程的附屬實驗課程，該課程理論部分由專業課教師講授，實驗演示部分由分析測試中心儀器負責人進行演示實驗的講解。分析測試中心熱分析實驗室配有三種熱分析儀器：差示掃描量熱儀、動態熱機械分析儀和同步熱分析儀，其中差示掃描量熱儀分兩種型號，分別是DSCQ100和DSCQ2000，該演示實驗利用差示掃描量熱儀DSCQ2000進行實驗教學。

1實驗目標

學生應該熟悉差示掃描量熱儀（DSC）的構造和原理，了解該儀器的應用范圍，并學習如何優化實驗條件以及分析數據。通過參與實驗的各個環節，學生將培養實際操作的技能，提高實驗的成功率，并深入了解實驗條件對結果的影響。這門實驗課對學生來說非常有益，它有助于學生更好地吸收課本上的知識，并為他們將來考研究生提供一定的科研基礎。

2實驗教學內容

2.1機器的介紹

當學生首次踏入實驗室時，為了引發他們的興趣，我們首先向他們介紹差示掃描量熱儀的結構組成。在實驗室里，我們配備了兩臺先進的差示掃描量熱儀，為學生提供了豐富的實驗體驗。我們可以先提出一個問題，詢問學生對差示掃描量熱儀的用途是否有所了解。通過引導學生思考差示掃描量熱儀的實際用途，我們可以讓他們對實驗課的目標有更明確的認識。接下來，我們可以引導學生從外觀上觀察兩臺儀器的明顯不同之處。這種觀察不僅能夠增加學生對儀器的直觀認識，還有助于激發他們對實驗的興趣。

這兩臺儀器均是美國TA公司的產品，都由主機、配件和電腦控制部分組成。其中，儀器Q100［圖1（a）］配備了液氮制冷設備，測試溫度范圍為-400℃至400℃。而DSCQ2000［圖1（b）］則配備了機械制冷，測試溫度范圍較窄，為-80℃至400℃。需要注意的是，Q2000的缺點是受限于制冷模式，無法檢測更低的溫度。雖然Q100的測試溫度較低，但每次加液氮的過程耗時較長，操作也比較麻煩。此外，相較于Q100儀器，Q2000配備了自動進樣器，使操作更加方便快捷，同時大大提高了工作效率。介紹完畢后，按照順序將儀器開機預熱半小時。首先，通入氮氣，然后打開主機，最后啟動電腦。

2.2機器原理介紹

在機器預熱階段，教師會通過PPT對儀器的原理和應用范圍進行講解。盡管理論知識在課堂上已經有所介紹，但由于實驗課通常安排在每學期的最后，理論與實踐結合不夠緊密。因此，在這里需要簡要解釋一下相關理論知識。差示掃描量熱儀（DifferentialScanningCalorimeter）是指在程序控溫下，通過測量樣品吸收或釋放的熱量，從而定性或定量地表征材料物理或化學轉變過程的一種分析測試技術［34］。差示掃描量熱儀的應用范圍較廣，如可用于檢測材料的玻璃化轉變溫度、熔點或結晶溫度、交聯固化、比熱、氧化穩定性及純度分析等。

值得注意的是，熱重分析數據一般不是物質固有參數，而具有程序性的特點，受儀器狀態、實驗條件和試樣本身反應等因素的影響。因此，在表達熱分析數據時，必須注明實驗條件。如：實驗初始溫度和終止溫度的選擇、升降溫速率、氣氛條件的選擇、樣品用量的多少，以及是否消除熱力史等。這些理論知識的簡要講解將有助于學生更好地理解實驗原理和實驗結果的解讀。

2.3實驗安排

我們采用高密度聚乙烯粉末進行實驗設計。首先，在固體坩堝中稱取兩份質量相同的聚乙烯樣品，以確保實驗的可比性。隨后，我們選擇相同的初始溫度和終止溫度，并通過調整升溫速率來創建兩個不同的實驗條件，分別為10℃/min和50℃/min。這個實驗的設計旨在探究在不同升溫速率下，高密度聚乙烯的熔點溫度是否存在差異。通過對比這兩種不同升溫速率下的實驗結果，我們有望揭示聚乙烯在升溫速率變化時的熔點行為，從而更全面地理解其熱性質。這種實驗設計不僅有助于深入了解聚乙烯在升溫過程中的熔點變化規律，還為學生提供了運用實驗方法研究材料熱性質的實際經驗。通過觀察實驗結果，學生將能夠推斷出升溫速率對于高密度聚乙烯熔點溫度的影響程度，這對于進一步探討材料性質和熱行為具有重要的啟示意義［5］。

2.4樣品制備

在樣品制樣過程中，我們利用儀器專門配置的壓樣器。根據樣品形態（液體、固體）需要選擇不同的坩堝，常用到的兩款坩堝是Tzero密封坩堝和Tzero普通坩堝，為消除因坩堝不同帶來的影響因素，確保在實驗過程中參比坩堝和樣品坩堝型號一致。固體粉末且非揮發的樣品選擇普通坩堝，在這種情況下，坩堝蓋子起到固定樣品的作用，同時可以提高熱接觸。而密封坩堝常常測試液體樣品和含有易揮發成分的樣品。如果測試目的是氧化性實驗或光固化實驗，坩堝蓋子可以不使用。接下來請兩名同學動手稱量約7mg的聚乙烯樣品。在稱量過程中，強調樣品要平鋪坩堝底部，以確保受熱均勻，另外樣品不要散落在坩堝的外側，以免影響數據結果。完成稱量后，請同學將坩堝放置于樣品盤1Pan和2Pan中。

2.5程序設置

在介紹軟件界面時，可以首先解釋每一個信息欄所提供的信息。例如機器現在的溫度是多少？添加程序在哪個模塊？樣品程序設置在哪里？如何填寫樣品的基本信息？教學過程中會引導學生思考，樣品坩堝放在了什么位置，根據坩堝類型，參比盤選哪個合適？演示結束后，選擇兩名同學進行動手操作，以考查他們對所學知識的掌握情況。讓學生A設置一個RUN1，初始溫度為40℃，將聚乙烯樣品以10℃/min的升溫速率升溫到200℃，文件名為11。請學生B設置RUN2，初始溫度為40℃，將聚乙烯樣品以50℃/min升溫到200℃，文件名為22。在學生操作過程中，提供適當的提示，設置完畢后點擊開始實驗。在實驗過程初期，請同學們觀察自動進樣器是否順利抓取樣品放入爐子內，并提出問題請同學們思考：不同升溫速率得到的數據結果會有什么不同？

2.6數據分析

實驗結束后，同學們對得到的數據進行分析，當同學們觀察到DSC曲線上有一個明顯的峰時，可以引導他們思考這條曲線的含義是什么？根據圖2可知，左下角EXOUp的含義是峰向上代表放熱。從而我們認定聚乙烯在升溫過程中出現了吸熱現象即熔融。當升溫速率為10℃/min時，聚乙烯的熔點在126.68℃；當升溫速率為50℃/min時，聚乙烯的熔點在127.84℃。我們發現升溫速率越快，熔點值會向高溫移動，這就是所謂的熱滯后現象。因此，我們應盡量選擇合適的升溫速率，例如10℃/min，以獲得更準確的熔點數據。通過這樣的分析和解釋，學生可以理解不同升溫速率對實驗結果的影響，并明白為什么選擇適當的升溫速率對準確測定熔點很重要。

3結論

該實驗課的設置有利于學生進一步了解儀器原理和結構，并熟悉軟件操作、數據分析等。為本科畢業設計奠定了一定基礎，同時提高了學生的科學研究熱情，總體效果良好。但實驗存在的不足主要有以下幾點［67］：（1）由于實驗課安排比較晚，理論與實驗不能很好地結合。（2）實驗儀器及相關配套設施較少，學生動手機會很少，存在一部分學生參與度不夠。（3）沒有一定的考核制度，學習效果不理想。針對以上提出的不足之處，可以考慮以下改進措施：

（1）調整實驗課程安排：可以將理論知識與實驗課程盡量垂直設置，避免遺忘較多。也可以在實驗課程前進行預習，或者在實驗課后進行知識回顧，以鞏固學生的理論基礎。

（2）增加實驗設備和配套設施：教務處可以加大對實驗設備的投入，以滿足學生的參與需求。確保實驗室資源充足，并做到學生動手操作的機會相對均衡。

（3）引入考核制度：可以考慮設置實驗報告、實驗操作技能考核等形式的考核制度，激發學生的學習積極性和主動性。通過考核制度，可以促使學生更加認真、深入地學習實驗內容，并且能夠對學生的學習效果進行評估。

此外，開設實驗室開放日、選拔優秀學生作為教師助理等措施也是很好的想法。這些舉措可以為學生提供更多學習和交流的機會，提高他們的動手操作能力和科研能力，為他們今后的職業發展打下堅實基礎。

參考文獻：

［1］王婷.熱分析實驗教學中多媒體技術的應用［J］.廣州化工，2016（7）：172173.

［2］于欣欣，張利利，戴鵬，等.綜合熱分析儀在本科生實驗教學中的應用［J］.大學物理實驗，2015（4）：2425.

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［4］張震雷.王廣華.熱分析儀器實驗教學探索［J］.實驗室研究與探索，2017（8）：227229.

［5］姚芳，孫岳明.熱分析儀器實驗教學實踐［J］.實驗技術與管理，2014（12）：163165.

［6］鄒濤，趙瑾，郭姝，等.淺談國內熱分析技術的發展與應用［J］.分析儀器，2019（6）：1012.

［7］鄧曉燕.利用綜合熱分析儀研究納米二氧化鈦凝膠的熱穩定性［J］.現代科學儀器，2010（6）：107110.

項目：國家自然科學基金（22002074）

作者簡介：張旭良（1990—），男，漢族，山東淄博人，博士研究生，實驗師，研究方向：化學。