郭桂香 陳依伶

摘要：本文介紹了差示掃描量熱法（DSC）工作原理，總結(jié)了影響DSC試驗結(jié)果的因素，進一步提高試驗數(shù)據(jù)的準確性。從瀝青組分、改性瀝青、環(huán)氧瀝青三方面介紹了DSC在瀝青中應(yīng)用。

關(guān)鍵字：差示掃描量熱法（DSC）工作原理 瀝青

1 概述

1.1 差示掃描量熱法（DSC） 簡介

差示掃描量熱法（differential scanning calorimetry，DSC）裝置是準確測量轉(zhuǎn)變溫度，轉(zhuǎn)變焓的一種精密儀器，它的主要原理是：將試樣和參比物置于相同熱條件下，在程序升降溫過程中，始終保持樣品和參比物的溫度相同。當樣品發(fā)生熱效應(yīng)時，通過微加熱器等熱元件給樣品補充熱量或減少熱量以維持樣品和參比物的溫差為零。加熱器所提供的熱量通過轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換為電信號作為DSC曲線記錄下來。差示掃描量熱法是在程序控制溫度下，測量輸給物質(zhì)和參比物的功率差與溫度關(guān)系的一種技術(shù)。它是一種將與物質(zhì)內(nèi)部相轉(zhuǎn)變有關(guān)的熱流作為時間和溫度的函數(shù)進行測量的熱分析技術(shù)。這些測量能提供關(guān)于大量物質(zhì)的物理和化學(xué)的變化，包括吸熱、放熱、熱容變化過程，以及物質(zhì)相轉(zhuǎn)變的定量或定性的信息， 它分析速度快、樣品用量少，且制作簡便，對固液體皆適用，有寬廣的測溫范圍及優(yōu)良的定量能力，最為廣泛應(yīng)用的熱分析技術(shù)。

1.2差示掃描量熱法（DSC）工作原理

DSC有功率補償式差示掃描量熱法和熱流式差示掃描量熱法兩種類型。DSC 裝置是在試樣和參比物容器下裝有兩組補償加熱絲，當試樣在加熱過程中由于熱效應(yīng)與參比物之間出現(xiàn)溫差 時，通過差熱放大電路和差動熱量補償放大器， 使流入補償電熱絲的電流發(fā)生變化，當試樣吸熱時，補償放大器使試樣一邊的電流立即增大；反之，當試樣放熱時則使參比物一邊的電流增大， 直到兩邊熱量平衡，溫差 消失為止。

用差示掃描量熱法可以直接測量熱量，一個突出的優(yōu)點是在試樣發(fā)生熱效應(yīng)時，試樣的實際溫度已不是程序升溫時所控制的溫度（如在升溫時試樣由于放熱而一度加速升溫）。而前者由于試樣的熱量變化隨時可得到補償，試樣與參比物的溫度始終相等，避免了參比物與試樣之間的熱傳遞，故儀器的反應(yīng)靈敏，分辨率高，重現(xiàn)性好。

DSC的特點是峰的位置、形狀和峰的數(shù)目與物質(zhì)的性質(zhì)有關(guān)，故可以定性地用來鑒定物質(zhì)；從原則上講，物質(zhì)的所有轉(zhuǎn)變和反應(yīng)都應(yīng)有熱效應(yīng)，因而可以采用DSC檢測這些熱效應(yīng)，但有時由于靈敏度等種種原因的限制，不一定都能觀測得出；而峰面積的大小與反應(yīng)熱焓有關(guān)，即 。對于DSC曲線，K是與溫度無關(guān)的比例常數(shù)。

1.3 影響DSC試驗結(jié)果的因素

差熱分析曲線的峰形、出峰位置和峰面積等受多種因素影響，大體可分為儀器因素和操作因素。儀器因素主要包括：爐子的結(jié)構(gòu)與尺寸、坩堝材料與形狀、熱電偶性能等。操作因素是指操作者對樣品與儀器操作條件選取不同而對分析結(jié)果的影響。①試樣粒度：粉末粒度不同時，由于傳熱和擴散的影響，會出現(xiàn)試驗結(jié)果的差別。通常粒度越細，出峰溫度降低，峰寬變小。但是其相應(yīng)的熱反應(yīng)是不變的，只是反應(yīng)速度有變化。粒度過細時，由于失水很快，也會影響曲線形狀；②試樣用量：不可過多，以免使其內(nèi)部傳熱慢、溫度梯度大而使峰形擴大和分辨率下降；③氣氛：不同氣體熱導(dǎo)性不同，會影響爐壁和試樣之間的熱阻，而影響出峰的溫度和熱焓值。

2 差示掃描量熱法（DSC）在瀝青中的應(yīng)用

2.1 差示掃描量熱法在瀝青組分中的應(yīng)用

采用瀝青組分分析法和差示掃描量熱儀（DSC）從微觀上分析瀝青的性質(zhì)。有學(xué)者對瀝青的瀝青質(zhì)、飽和芬、芳香芬和膠質(zhì)四組分進行研究。瀝青性能的變化是一個漸變的過程，DSC曲線能夠定量的反映出在這個變化過程中，瀝青在某個溫度范圍內(nèi)是否穩(wěn)定以及相態(tài)變化的快慢。吸熱峰寬度實質(zhì)上就是一個焓變的范圍，表明在這個范圍內(nèi)瀝青的相態(tài)發(fā)生轉(zhuǎn)變。另外，焓變大小反應(yīng)的是瀝青在這個狀態(tài)內(nèi)變化的難易。

DSC能較好的描述瀝青內(nèi)部相態(tài)隨溫度的變化，并與瀝青宏觀上的三大指標保持一致。DSC曲線圖可以定量的反映出所測物品的相態(tài)變化，通過對瀝青及瀝青四組分的DSC曲線圖研究，定量的反應(yīng)了瀝青及瀝青四組分的高溫（軟化點）、低溫（玻璃化）性質(zhì)及變化過程（吸熱峰寬度及能量值）中的一個詳細過程。通過瀝青四組分的DSC分析，現(xiàn)瀝青質(zhì)、膠質(zhì)的高溫性能比較好，飽和分、芳香分的低溫性能比較好，這4種組分共同影響著瀝青的高低溫性質(zhì)。采用DSC對瀝青進行研究，其意圖明確、測試用量少，在應(yīng)用中取得了很好的效果。

2.2 差示掃描量熱法在改性瀝青中的應(yīng)用

DSC在改性瀝青中也有著廣泛的用途，通過比較改性前后DSC曲線形狀的變化，從而可以發(fā)現(xiàn)性能的改變，推斷是否取得了滿意的改性效果。

改性劑與基質(zhì)瀝青的相容性良好與否，是評價改性瀝青性能好壞的重要指標之一，DSC曲線可以運用在評價改性瀝青的相容性和存儲穩(wěn)定性當中，根據(jù)一些學(xué)者的研究結(jié)果有：穩(wěn)定的改性瀝青體系的DSC曲線比較平坦，很少有吸熱峰出現(xiàn)或者吸熱峰很小。將改性瀝青體系放置一定時間對上下層的瀝青做DSC對比分析，并根據(jù)上下層的吸熱變化是否相同或者接近來判斷改性瀝青的上下層結(jié)構(gòu)組成性質(zhì)是否連續(xù)，從而研究改性瀝青的熱儲存穩(wěn)定性。

2.3 差示掃描量熱法在環(huán)氧瀝青中的應(yīng)用

環(huán)氧瀝青是將環(huán)氧樹脂和相應(yīng)的固化劑加入瀝青中，經(jīng)過固化反應(yīng)使瀝青從熱塑性轉(zhuǎn)變?yōu)闊峁绦?。環(huán)氧瀝青具有強度高、剛度大、高溫穩(wěn)定性強、抗疲勞特性以及抗腐蝕性好等優(yōu)良的物理、力學(xué)性能。在一些特殊路面鋪裝領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用，但是，環(huán)氧瀝青的粘度隨著固化反應(yīng)的進行不斷變化，如果施工過早，環(huán)氧瀝青粘度低，混合料容易出現(xiàn)分層、離析等現(xiàn)象；如果不能及時施工，不僅會降低鋪裝后的使用性能，甚至可能導(dǎo)致拌合好的環(huán)氧瀝青混合料發(fā)生嚴重固化反應(yīng)而難以應(yīng)用。于是，學(xué)者開始試著了解環(huán)氧瀝青的固化機理。利用DSC法分別測出環(huán)氧瀝青及其包含環(huán)氧樹脂和固化劑體系的放熱曲線，通過對 DSC試驗結(jié)果的分析評價該環(huán)氧瀝青的固化特征。試驗可根據(jù)不同升溫速率下反應(yīng)物體系固化反應(yīng)的DSC特征曲線，探討其固化反應(yīng)特征，為優(yōu)化環(huán)氧瀝青的固化及施工工藝提供基礎(chǔ)。以及將環(huán)氧瀝青與環(huán)氧樹脂的DSC曲線進行分析對比，環(huán)氧瀝青固化反應(yīng)是多個復(fù)雜反應(yīng)的綜合，環(huán)氧瀝青與環(huán)氧樹脂固化反應(yīng)放熱峰比較發(fā)現(xiàn)，環(huán)氧瀝青放熱峰較平緩。利用 DSC方法可以有效地反映環(huán)氧瀝青固化特征，通過分析非等溫 DSC試驗放熱曲線，可以得到表征環(huán)氧瀝青的3個關(guān)鍵參數(shù)，凝化溫度、固話溫度和后處理溫度。

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