关键词：热固性，Discovery X3 DSC，固化，环氧树脂，橡胶

背景

DISCOVERY X3 DSC 差示扫描量热仪

Discovery X3 差示扫描量热仪配置有多样品池，Z多可同时分析三个样品。这种设计可以显着提高实验效率和样品通量。DSC 仪器是热固性材料研究固化和其他热性能的重要工具。本文讨论了 Discovery X3 DSC 在热固性分析方面的优势，用于研究不同材料成分和固化条件。另外，还可以通过重复测试和统计分析进一步提升数据质量，这也是 Discovery X3 多样品池的突出优势。

热固材料分析

热固性材料交联形成固化结构，DSC 可用于测量该过程。具体来说， DSC 可用于测量交联反应的固化放热，以及由于交联导致的玻璃化转变温度 (Tg) 的变化。加热-冷却-再加热实验，是使用 DSC进行的典型热固性固化实验，其中DY次加热到固化温度以上测量固化放热峰。第二次加热测量重新固化后材料的 Tg，以及在固化温度下的任何的残余固化。

实验

双组分环氧树脂

图 1 为双组分环氧树脂材料DY次加热的 DSC 数据。包装上说明该环氧树脂在 15 分钟后凝固，30 分钟后固化。使用 Discovery X3 DSC 同时分析三个样品；一种已经固化 60 分钟（制造商规定的固化时间的两倍），一种已经固化 15 分钟（凝固时间），一种基本上未固化（混合后立即放入 DSC）。

图 1. 双组分环氧树脂的DY次加热曲线，在 Discovery X3 DSC 上同时分析具有不同固化时间的三个样品

使用传统的 DSC，所有三个样品都需要单独混合并在适当的固化时间运行。使用 Discovery X3 DSC，通过为同一仪器运行准备每个样品而节省时间，无需在准备下一个样品之前等待单个运行完成。这使得能够快速分析 3 个固化时间。数据显示了每个残余固化峰大小以及 Tg 的相对温度和尺度的预期趋势。正如预期的那样，完全固化产品的 Tg 在第二次加热中都发生在相同的温度下（图 2）。

图 2. 双组分环氧树脂混合物的第二次加热显示三个具有不同初始固化时间的样品都完全固化，每个样品的 Tg 台阶大小和温度相同证明了这一点。

尽管制造商提出了固化时间的建议，但 60 分钟固化的样品仍显示出可见的放热现象。此信息对研究这种环氧树脂混合物的分析人员很有用，并且通常对以下类型的分析有用：

• 失效分析：热固性失效通常与固化不均匀或固化不足有关。

• 研究新混合物：通过快速筛选不同固化时间和相关的残余固化来了解新混合物或组分的ZJ固化条件。

• 同时筛选多种新组分：可以对三种不同的新组分进行相同的固化实验。

• 批次间的差异和质量控制：通过在同一个 DSC 实验中运行三个样品，使常规分析变得更容易和快速。

• 统计分析：使用Discovery X3 DSC平行运行三个样品，这三个样品具有相同的热历史，从而可以对相变进行统计分析。

过氧化物硫化体系研究

三个橡胶样品由 ParkerHannifin Corporation 提供，样品 A、B 和 C每个样品含有不同的硫化过氧化物。进行了标准的加热-冷却-再加热实验以获取有关这些样品的硫化放热和 Tg 的信息。在 Discovery X3 DSC 上进行了两种类型的加热-冷却-再加热实验；同时运行所有三个样品，每个样品运行三次以获得样品统计数据。

从图3 中的数据可以获得关于这三个样品的多重信息。数据显示，样品A 的硫化温度低于样品B 和 C，而样品 B 和 C 的硫化温度似乎大致相同。第二次加热显示每个样品在DY次加热过程中都完全固化。此外，观察到第 1 次和第 2 次加热过程中的 Tg 似乎没有变化，这种结果并不常见。

图3. 在同一个Discovery X3 DSC的运行实验中分析A、B、C三个橡胶样品

对同一个样品进行三次 DSC 实验是 Discovery X3 DSC 的自然延伸。图 4 显示了橡胶样品 A 的这个实验。DSC 实验中有两个主要的误差来源——仪器和样品本身。Discovery X3 DSC 在铟标准品上的温度重复性为0.005°C，而铟标准品焓的差异低于 0.1%。因此，虽然图 4 中的温度和焓差并不是特别大，但它们仍处于仪器误差范围之外，并且可能反映了由于材料自身的不均匀或样品制备而导致的真实差异。考虑到所需的时间，在传统的单样品 DSC 上每个样品测试三次通常是不切实际的。而 Discovery X3 DSC 可以在同样的时间内，进行三次重复测试。虽然图 4 中报告的标准偏差很低，但可以设想这种“一式三份”的测试和由此产生的统计数据将为样品解读带来更多的可能，例如：

• 样品不均匀：测量的转变中的变化可能反映材料的真实差异。这可能是由于在DSC所需样品量小（通常 <10 毫克）而带来的不均匀性，如不完全混合或其他成分的差异。

•  提高数据准确性：报告来自三次重复测试的平均值，从而获得更准确和具有代表性的数据。

图4. 在Discovery X3 DSC上平行运行橡胶样品A的三个样品的DY次加热实验

结论

本文讨论了DSC通常如何用于分析热固性材料。实验结果表明，Discovery X3 DSC与传统单样品DSC相比具有许多优势，不仅仅是明显增加了样品测试通量。除了将现有的样品实验速率提高三倍外，Discovery X3 DSC还可以在相同的时间内收集三倍于现有的样品数据。当使用X3DSC将仪器通量增加三倍时，可以通过重复测试来收集样品统计信息。这种增加的通量对于一些实验非常有用，例如在研发环境中筛选更多的样品成分和固化条件，以及在生产或质量控制中加快材料比较的速度。

致谢

TA Instruments感谢Parker Hannifin 提供的橡胶样品

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