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热分析方法是指在程序控制温度下，测量物质的物理性质与温度关系的一门技术。所谓“程序控制温度”是指用固定的速率加热或冷却，而“...
热分析方法是指在程序控制温度下，测量物质的物理性质与温度关系的一门技术。所谓“程序控制温度”是指用固定的速率加热或冷却，而“物理性质”则包括物质的质量、温度、热焓、尺寸、机械、电学、声学及磁学性质等[1][2]。物质在温度变化过程中，常常伴随宏观物理、化学等性质的变化，宏观上的这些性质变化通常又与物质的组成和微观结构相关联。通过测量和分析物质在加热或冷却过程中的物理、化学性质的变化，可以对物质进行定性、定量分析，从而实现对物质的结构鉴定，为新材料的研究和开发提供热性能数据和精细结构信息。热分析方法广泛应用于化学化工、冶金、地质、物理、陶瓷、建材、生物化学、药学、地球化学、航天、石油、煤炭、环保、考古、食品等领域。
根据所测物质物理性质的不同，国际热分析协会将热分析技术分为9大类17种，其中热重法、差示扫描量热法、动态热机械分析仪是比较常用的三种方法。热分析技术的优点主要有：可在宽广的温度范围内对样品进行研究；可使用不同的升降温速率；对样品的物理状态无特殊要求；所需样品质量可以很少(mg级别);机器灵敏度高；可与其他技术联用获得更多的信息，如：TG-DTA、TG-DSC、TG-MS、TG-GC、TG-IR等。
在我们学校的高分子材料与工程本科专业中，仪器演示实验通常是作为“聚合物近代仪器分析”课程的附属实验课程，该课程理论部分由专业课教师讲授，实验演示部分由分析测试中心仪器负责人进行演示实验的讲解。分析测试中心热分析实验室配有三种热分析仪器：差示扫描量热仪、动态热机械分析仪和同步热分析仪，其中差示扫描量热仪分两种型号，分别是DSC Q100和DSC Q2000,该演示实验利用差示扫描量热仪DSC Q2000进行实验教学。
1 实验目标
学生应该熟悉差示扫描量热仪(DSC)的构造和原理，了解该仪器的应用范围，并学习如何优化实验条件以及分析数据。通过参与实验的各个环节，学生将培养实际操作的技能，提高实验的成功率，并深入了解实验条件对结果的影响。这门实验课对学生来说非常有益，它有助于学生更好地吸收课本上的知识，并为他们将来考研究生提供一定的科研基础。
2 实验教学内容
2.1 机器的介绍
当学生首次踏入实验室时，为了引发他们的兴趣，我们首先向他们介绍差示扫描量热仪的结构组成。在实验室里，我们配备了两台先进的差示扫描量热仪，为学生提供了丰富的实验体验。我们可以先提出一个问题，询问学生对差示扫描量热仪的用途是否有所了解。通过引导学生思考差示扫描量热仪的实际用途，我们可以让他们对实验课的目标有更明确的认识。接下来，我们可以引导学生从外观上观察两台仪器的明显不同之处。这种观察不仅能够增加学生对仪器的直观认识，还有助于激发他们对实验的兴趣。
这两台仪器均是美国TA公司的产品，都由主机、配件和电脑控制部分组成。其中，仪器Q100[图1(a)]配备了液氮制冷设备，测试温度范围为-400℃至400℃。而DSCQ2000[图1(b)]则配备了机械制冷，测试温度范围较窄，为-80℃至400℃。需要注意的是，Q2000的缺点是受限于制冷模式，无法检测更低的温度。虽然Q100的测试温度较低，但每次加液氮的过程耗时较长，操作也比较麻烦。此外，相较于Q100仪器，Q2000配备了自动进样器，使操作更加方便快捷，同时大大提高了工作效率。介绍完毕后，按照顺序将仪器开机预热半小时。首先，通入氮气，然后打开主机，最后启动电脑。
图1
2.2 机器原理介绍
在机器预热阶段，教师会通过PPT对仪器的原理和应用范围进行讲解。尽管理论知识在课堂上已经有所介绍，但由于实验课通常安排在每学期的最后，理论与实践结合不够紧密。因此，在这里需要简要解释一下相关理论知识。差示扫描量热仪(Differential Scanning Calorimeter)是指在程序控温下，通过测量样品吸收或释放的热量，从而定性或定量地表征材料物理或化学转变过程的一种分析测试技术[3][4]。差示扫描量热仪的应用范围较广，如可用于检测材料的玻璃化转变温度、熔点或结晶温度、交联固化、比热、氧化稳定性及纯度分析等。
值得注意的是，热重分析数据一般不是物质固有参数，而具有程序性的特点，受仪器状态、实验条件和试样本身反应等因素的影响。因此，在表达热分析数据时，必须注明实验条件。如：实验初始温度和终止温度的选择、升降温速率、气氛条件的选择、样品用量的多少，以及是否消除热力史等。这些理论知识的简要讲解将有助于学生更好地理解实验原理和实验结果的解读。
2.3 实验安排
我们采用高密度聚乙烯粉末进行实验设计。首先，在固体坩埚中称取两份质量相同的聚乙烯样品，以确保实验的可比性。随后，我们选择相同的初始温度和终止温度，并通过调整升温速率来创建两个不同的实验条件，分别为10℃/min和50℃/min。这个实验的设计旨在探究在不同升温速率下，高密度聚乙烯的熔点温度是否存在差异。通过对比这两种不同升温速率下的实验结果，我们有望揭示聚乙烯在升温速率变化时的熔点行为，从而更全面地理解其热性质。这种实验设计不仅有助于深入了解聚乙烯在升温过程中的熔点变化规律，还为学生提供了运用实验方法研究材料热性质的实际经验。通过观察实验结果，学生将能够推断出升温速率对于高密度聚乙烯熔点温度的影响程度，这对于进一步探讨材料性质和热行为具有重要的启示意义[5]。
2.4 样品制备
在样品制样过程中，我们利用仪器专门配置的压样器。根据样品形态(液体、固体)需要选择不同的坩埚，常用到的两款坩埚是T zero密封坩埚和T zero普通坩埚，为消除因坩埚不同带来的影响因素，确保在实验过程中参比坩埚和样品坩埚型号一致。固体粉末且非挥发的样品选择普通坩埚，在这种情况下，坩埚盖子起到固定样品的作用，同时可以提高热接触。而密封坩埚常常测试液体样品和含有易挥发成分的样品。如果测试目的是氧化性实验或光固化实验，坩埚盖子可以不使用。接下来请两名同学动手称量约7mg的聚乙烯样品。在称量过程中，强调样品要平铺坩埚底部，以确保受热均匀，另外样品不要散落在坩埚的外侧，以免影响数据结果。完成称量后，请同学将坩埚放置于样品盘1Pan和2Pan中。
2.5 程序设置
在介绍软件界面时，可以首先解释每一个信息栏所提供的信息。例如机器现在的温度是多少?添加程序在哪个模块?样品程序设置在哪里?如何填写样品的基本信息?教学过程中会引导学生思考，样品坩埚放在了什么位置，根据坩埚类型，参比盘选哪个合适?演示结束后，选择两名同学进行动手操作，以考查他们对所学知识的掌握情况。让学生A设置一个RUN1,初始温度为40℃,将聚乙烯样品以10℃/min的升温速率升温到200℃,文件名为1-1。请学生B设置RUN2,初始温度为40℃,将聚乙烯样品以50℃/min升温到200℃,文件名为2-2。在学生操作过程中，提供适当的提示，设置完毕后点击开始实验。在实验过程初期，请同学们观察自动进样器是否顺利抓取样品放入炉子内，并提出问题请同学们思考：不同升温速率得到的数据结果会有什么不同?
2.6 数据分析
实验结束后，同学们对得到的数据进行分析，当同学们观察到DSC曲线上有一个明显的峰时，可以引导他们思考这条曲线的含义是什么?根据图2可知，左下角EXO Up的含义是峰向上代表放热。从而我们认定聚乙烯在升温过程中出现了吸热现象即熔融。当升温速率为10℃/min时，聚乙烯的熔点在126.68℃;当升温速率为50℃/min时，聚乙烯的熔点在127.84℃。我们发现升温速率越快，熔点值会向高温移动，这就是所谓的热滞后现象。因此，我们应尽量选择合适的升温速率，例如10℃/min, 以获得更准确的熔点数据。通过这样的分析和解释，学生可以理解不同升温速率对实验结果的影响，并明白为什么选择适当的升温速率对准确测定熔点很重要。
图2 不同升温速率下聚乙烯熔点的测定
3 结论
该实验课的设置有利于学生进一步了解仪器原理和结构，并熟悉软件操作、数据分析等。为本科毕业设计奠定了一定基础，同时提高了学生的科学研究热情，总体效果良好。但实验存在的不足主要有以下几点[6][7]:(1)由于实验课安排比较晚，理论与实验不能很好地结合。(2)实验仪器及相关配套设施较少，学生动手机会很少，存在一部分学生参与度不够。(3)没有一定的考核制度，学习效果不理想。针对以上提出的不足之处，可以考虑以下改进措施：
(1)调整实验课程安排：
可以将理论知识与实验课程尽量垂直设置，避免遗忘较多。也可以在实验课程前进行预习，或者在实验课后进行知识回顾，以巩固学生的理论基础。
(2)增加实验设备和配套设施：
教务处可以加大对实验设备的投入，以满足学生的参与需求。确保实验室资源充足，并做到学生动手操作的机会相对均衡。
(3)引入考核制度：
可以考虑设置实验报告、实验操作技能考核等形式的考核制度，激发学生的学习积极性和主动性。通过考核制度，可以促使学生更加认真、深入地学习实验内容，并且能够对学生的学习效果进行评估。
此外，开设实验室开放日、选拔优秀学生作为教师助理等措施也是很好的想法。这些举措可以为学生提供更多学习和交流的机会，提高他们的动手操作能力和科研能力，为他们今后的职业发展打下坚实基础。
