差示扫描量热法原理及其在沥青中应用

郭桂香 陈依伶

摘要：本文介绍了差示扫描量热法（DSC）工作原理，总结了影响DSC试验结果的因素，进一步提高试验数据的准确性。从沥青组分、改性沥青、环氧沥青三方面介绍了DSC在沥青中应用。

关键字：差示扫描量热法（DSC）工作原理 沥青

1 概述

1.1 差示扫描量热法（DSC） 简介

差示扫描量热法（differential scanning calorimetry，DSC）装置是准确测量转变温度，转变焓的一种精密仪器，它的主要原理是：将试样和参比物置于相同热条件下，在程序升降温过程中，始终保持样品和参比物的温度相同。当样品发生热效应时，通过微加热器等热元件给样品补充热量或减少热量以维持样品和参比物的温差为零。加热器所提供的热量通过转换器转换为电信号作为DSC曲线记录下来。差示扫描量热法是在程序控制温度下，测量输给物质和参比物的功率差与温度关系的一种技术。它是一种将与物质内部相转变有关的热流作为时间和温度的函数进行测量的热分析技术。这些测量能提供关于大量物质的物理和化学的变化，包括吸热、放热、热容变化过程，以及物质相转变的定量或定性的信息， 它分析速度快、样品用量少，且制作简便，对固液体皆适用，有宽广的测温范围及优良的定量能力，最为广泛应用的热分析技术。

1.2差示扫描量热法（DSC）工作原理

DSC有功率补偿式差示扫描量热法和热流式差示扫描量热法两种类型。DSC 装置是在试样和参比物容器下装有两组补偿加热丝，当试样在加热过程中由于热效应与参比物之间出现温差 时，通过差热放大电路和差动热量补偿放大器， 使流入补偿电热丝的电流发生变化，当试样吸热时，补偿放大器使试样一边的电流立即增大；反之，当试样放热时则使参比物一边的电流增大， 直到两边热量平衡，温差 消失为止。

用差示扫描量热法可以直接测量热量，一个突出的优点是在试样发生热效应时，试样的实际温度已不是程序升温时所控制的温度（如在升温时试样由于放热而一度加速升温）。而前者由于试样的热量变化随时可得到补偿，试样与参比物的温度始终相等，避免了参比物与试样之间的热传递，故仪器的反应灵敏，分辨率高，重现性好。

DSC的特点是峰的位置、形状和峰的数目与物质的性质有关，故可以定性地用来鉴定物质；从原则上讲，物质的所有转变和反应都应有热效应，因而可以采用DSC检测这些热效应，但有时由于灵敏度等种种原因的限制，不一定都能观测得出；而峰面积的大小与反应热焓有关，即 。对于DSC曲线，K是与温度无关的比例常数。

1.3 影响DSC试验结果的因素

差热分析曲线的峰形、出峰位置和峰面积等受多种因素影响，大体可分为仪器因素和操作因素。仪器因素主要包括：炉子的结构与尺寸、坩埚材料与形状、热电偶性能等。操作因素是指操作者对样品与仪器操作条件选取不同而对分析结果的影响。①试样粒度：粉末粒度不同时，由于传热和扩散的影响，会出现试验结果的差别。通常粒度越细，出峰温度降低，峰宽变小。但是其相应的热反应是不变的，只是反应速度有变化。粒度过细时，由于失水很快，也会影响曲线形状；②试样用量：不可过多，以免使其内部传热慢、温度梯度大而使峰形扩大和分辨率下降；③气氛：不同气体热导性不同，会影响炉壁和试样之间的热阻，而影响出峰的温度和热焓值。

2 差示扫描量热法（DSC）在沥青中的应用

2.1 差示扫描量热法在沥青组分中的应用

采用沥青组分分析法和差示扫描量热仪（DSC）从微观上分析沥青的性质。有学者对沥青的沥青质、饱和芬、芳香芬和胶质四组分进行研究。沥青性能的变化是一个渐变的过程，DSC曲线能够定量的反映出在这个变化过程中，沥青在某个温度范围内是否稳定以及相态变化的快慢。吸热峰宽度实质上就是一个焓变的范围，表明在这个范围内沥青的相态发生转变。另外，焓变大小反应的是沥青在这个状态内变化的难易。

DSC能较好的描述沥青内部相态随温度的变化，并与沥青宏观上的三大指标保持一致。DSC曲线图可以定量的反映出所测物品的相态变化，通过对沥青及沥青四组分的DSC曲线图研究，定量的反应了沥青及沥青四组分的高温（软化点）、低温（玻璃化）性质及变化过程（吸热峰宽度及能量值）中的一个详细过程。通过沥青四组分的DSC分析，现沥青质、胶质的高温性能比较好，饱和分、芳香分的低温性能比较好，这4种组分共同影响着沥青的高低温性质。采用DSC对沥青进行研究，其意图明确、测试用量少，在应用中取得了很好的效果。

2.2 差示扫描量热法在改性沥青中的应用

DSC在改性沥青中也有着广泛的用途，通过比较改性前后DSC曲线形状的变化，从而可以发现性能的改變，推断是否取得了满意的改性效果。

改性剂与基质沥青的相容性良好与否，是评价改性沥青性能好坏的重要指标之一，DSC曲线可以运用在评价改性沥青的相容性和存储稳定性当中，根据一些学者的研究结果有：稳定的改性沥青体系的DSC曲线比较平坦，很少有吸热峰出现或者吸热峰很小。将改性沥青体系放置一定时间对上下层的沥青做DSC对比分析，并根据上下层的吸热变化是否相同或者接近来判断改性沥青的上下层结构组成性质是否连续，从而研究改性沥青的热储存稳定性。

2.3 差示扫描量热法在环氧沥青中的应用

环氧沥青是将环氧树脂和相应的固化剂加入沥青中，经过固化反应使沥青从热塑性转变为热固性。环氧沥青具有强度高、刚度大、高温稳定性强、抗疲劳特性以及抗腐蚀性好等优良的物理、力学性能。在一些特殊路面铺装领域得到广泛的应用，但是，环氧沥青的粘度随着固化反应的进行不断变化，如果施工过早，环氧沥青粘度低，混合料容易出现分层、离析等现象；如果不能及时施工，不仅会降低铺装后的使用性能，甚至可能导致拌合好的环氧沥青混合料发生严重固化反应而难以应用。于是，学者开始试着了解环氧沥青的固化机理。利用DSC法分别测出环氧沥青及其包含环氧树脂和固化剂体系的放热曲线，通过对 DSC试验结果的分析评价该环氧沥青的固化特征。试验可根据不同升温速率下反应物体系固化反应的DSC特征曲线，探讨其固化反应特征，为优化环氧沥青的固化及施工工艺提供基础。以及将环氧沥青与环氧树脂的DSC曲线进行分析对比，环氧沥青固化反应是多个复杂反应的综合，环氧沥青与环氧树脂固化反应放热峰比较发现，环氧沥青放热峰较平缓。利用 DSC方法可以有效地反映环氧沥青固化特征，通过分析非等温 DSC试验放热曲线，可以得到表征环氧沥青的3个关键参数，凝化温度、固话温度和后处理温度。

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