摘要：通過利用差示掃描量熱儀，我們?cè)O(shè)計(jì)了一堂本科生儀器演示實(shí)驗(yàn)——高密度聚乙烯熔點(diǎn)的測(cè)定。該實(shí)驗(yàn)是本科高分子材料專業(yè)課程“聚合物近代儀器分析”中的一部分，該演示實(shí)驗(yàn)可以幫助學(xué)生更深入地了解儀器的結(jié)構(gòu)組成和原理，并學(xué)習(xí)如何優(yōu)化實(shí)驗(yàn)條件和進(jìn)行數(shù)據(jù)分析。此外，這個(gè)實(shí)驗(yàn)也為學(xué)生在科學(xué)研究方面繼續(xù)深造打下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

關(guān)鍵詞：差示掃描量熱儀；實(shí)驗(yàn)教學(xué)；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(cè)量物質(zhì)的物理性質(zhì)與溫度關(guān)系的一門技術(shù)。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(zhì)”則包括物質(zhì)的質(zhì)量、溫度、熱焓、尺寸、機(jī)械、電學(xué)、聲學(xué)及磁學(xué)性質(zhì)等［12］。物質(zhì)在溫度變化過程中，常常伴隨宏觀物理、化學(xué)等性質(zhì)的變化，宏觀上的這些性質(zhì)變化通常又與物質(zhì)的組成和微觀結(jié)構(gòu)相關(guān)聯(lián)。通過測(cè)量和分析物質(zhì)在加熱或冷卻過程中的物理、化學(xué)性質(zhì)的變化，可以對(duì)物質(zhì)進(jìn)行定性、定量分析，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)物質(zhì)的結(jié)構(gòu)鑒定，為新材料的研究和開發(fā)提供熱性能數(shù)據(jù)和精細(xì)結(jié)構(gòu)信息。熱分析方法廣泛應(yīng)用于化學(xué)化工、冶金、地質(zhì)、物理、陶瓷、建材、生物化學(xué)、藥學(xué)、地球化學(xué)、航天、石油、煤炭、環(huán)保、考古、食品等領(lǐng)域。

根據(jù)所測(cè)物質(zhì)物理性質(zhì)的不同，國(guó)際熱分析協(xié)會(huì)將熱分析技術(shù)分為9大類17種，其中熱重法、差示掃描量熱法、動(dòng)態(tài)熱機(jī)械分析儀是比較常用的三種方法。熱分析技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)主要有：可在寬廣的溫度范圍內(nèi)對(duì)樣品進(jìn)行研究；可使用不同的升降溫速率；對(duì)樣品的物理狀態(tài)無特殊要求；所需樣品質(zhì)量可以很少（mg級(jí)別）；機(jī)器靈敏度高；可與其他技術(shù)聯(lián)用獲得更多的信息，如：TGDTA、TGDSC、TGMS、TGGC、TGIR等。

在我們學(xué)校的高分子材料與工程本科專業(yè)中，儀器演示實(shí)驗(yàn)通常是作為“聚合物近代儀器分析”課程的附屬實(shí)驗(yàn)課程，該課程理論部分由專業(yè)課教師講授，實(shí)驗(yàn)演示部分由分析測(cè)試中心儀器負(fù)責(zé)人進(jìn)行演示實(shí)驗(yàn)的講解。分析測(cè)試中心熱分析實(shí)驗(yàn)室配有三種熱分析儀器：差示掃描量熱儀、動(dòng)態(tài)熱機(jī)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(hào)，分別是DSCQ100和DSCQ2000，該演示實(shí)驗(yàn)利用差示掃描量熱儀DSCQ2000進(jìn)行實(shí)驗(yàn)教學(xué)。

1實(shí)驗(yàn)?zāi)繕?biāo)

學(xué)生應(yīng)該熟悉差示掃描量熱儀（DSC）的構(gòu)造和原理，了解該儀器的應(yīng)用范圍，并學(xué)習(xí)如何優(yōu)化實(shí)驗(yàn)條件以及分析數(shù)據(jù)。通過參與實(shí)驗(yàn)的各個(gè)環(huán)節(jié)，學(xué)生將培養(yǎng)實(shí)際操作的技能，提高實(shí)驗(yàn)的成功率，并深入了解實(shí)驗(yàn)條件對(duì)結(jié)果的影響。這門實(shí)驗(yàn)課對(duì)學(xué)生來說非常有益，它有助于學(xué)生更好地吸收課本上的知識(shí)，并為他們將來考研究生提供一定的科研基礎(chǔ)。

2實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容

2.1機(jī)器的介紹

當(dāng)學(xué)生首次踏入實(shí)驗(yàn)室時(shí)，為了引發(fā)他們的興趣，我們首先向他們介紹差示掃描量熱儀的結(jié)構(gòu)組成。在實(shí)驗(yàn)室里，我們配備了兩臺(tái)先進(jìn)的差示掃描量熱儀，為學(xué)生提供了豐富的實(shí)驗(yàn)體驗(yàn)。我們可以先提出一個(gè)問題，詢問學(xué)生對(duì)差示掃描量熱儀的用途是否有所了解。通過引導(dǎo)學(xué)生思考差示掃描量熱儀的實(shí)際用途，我們可以讓他們對(duì)實(shí)驗(yàn)課的目標(biāo)有更明確的認(rèn)識(shí)。接下來，我們可以引導(dǎo)學(xué)生從外觀上觀察兩臺(tái)儀器的明顯不同之處。這種觀察不僅能夠增加學(xué)生對(duì)儀器的直觀認(rèn)識(shí)，還有助于激發(fā)他們對(duì)實(shí)驗(yàn)的興趣。

這兩臺(tái)儀器均是美國(guó)TA公司的產(chǎn)品，都由主機(jī)、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(shè)備，測(cè)試溫度范圍為-400℃至400℃。而DSCQ2000［圖1（b）］則配備了機(jī)械制冷，測(cè)試溫度范圍較窄，為-80℃至400℃。需要注意的是，Q2000的缺點(diǎn)是受限于制冷模式，無法檢測(cè)更低的溫度。雖然Q100的測(cè)試溫度較低，但每次加液氮的過程耗時(shí)較長(zhǎng)，操作也比較麻煩。此外，相較于Q100儀器，Q2000配備了自動(dòng)進(jìn)樣器，使操作更加方便快捷，同時(shí)大大提高了工作效率。介紹完畢后，按照順序?qū)x器開機(jī)預(yù)熱半小時(shí)。首先，通入氮?dú)?，然后打開主機(jī)，最后啟動(dòng)電腦。

2.2機(jī)器原理介紹

在機(jī)器預(yù)熱階段，教師會(huì)通過PPT對(duì)儀器的原理和應(yīng)用范圍進(jìn)行講解。盡管理論知識(shí)在課堂上已經(jīng)有所介紹，但由于實(shí)驗(yàn)課通常安排在每學(xué)期的最后，理論與實(shí)踐結(jié)合不夠緊密。因此，在這里需要簡(jiǎn)要解釋一下相關(guān)理論知識(shí)。差示掃描量熱儀（DifferentialScanningCalorimeter）是指在程序控溫下，通過測(cè)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(xué)轉(zhuǎn)變過程的一種分析測(cè)試技術(shù)［34］。差示掃描量熱儀的應(yīng)用范圍較廣，如可用于檢測(cè)材料的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度、熔點(diǎn)或結(jié)晶溫度、交聯(lián)固化、比熱、氧化穩(wěn)定性及純度分析等。

值得注意的是，熱重分析數(shù)據(jù)一般不是物質(zhì)固有參數(shù)，而具有程序性的特點(diǎn)，受儀器狀態(tài)、實(shí)驗(yàn)條件和試樣本身反應(yīng)等因素的影響。因此，在表達(dá)熱分析數(shù)據(jù)時(shí)，必須注明實(shí)驗(yàn)條件。如：實(shí)驗(yàn)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(shí)的簡(jiǎn)要講解將有助于學(xué)生更好地理解實(shí)驗(yàn)原理和實(shí)驗(yàn)結(jié)果的解讀。

2.3實(shí)驗(yàn)安排

我們采用高密度聚乙烯粉末進(jìn)行實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)。首先，在固體坩堝中稱取兩份質(zhì)量相同的聚乙烯樣品，以確保實(shí)驗(yàn)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(diào)整升溫速率來創(chuàng)建兩個(gè)不同的實(shí)驗(yàn)條件，分別為10℃/min和50℃/min。這個(gè)實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)旨在探究在不同升溫速率下，高密度聚乙烯的熔點(diǎn)溫度是否存在差異。通過對(duì)比這兩種不同升溫速率下的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，我們有望揭示聚乙烯在升溫速率變化時(shí)的熔點(diǎn)行為，從而更全面地理解其熱性質(zhì)。這種實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)不僅有助于深入了解聚乙烯在升溫過程中的熔點(diǎn)變化規(guī)律，還為學(xué)生提供了運(yùn)用實(shí)驗(yàn)方法研究材料熱性質(zhì)的實(shí)際經(jīng)驗(yàn)。通過觀察實(shí)驗(yàn)結(jié)果，學(xué)生將能夠推斷出升溫速率對(duì)于高密度聚乙烯熔點(diǎn)溫度的影響程度，這對(duì)于進(jìn)一步探討材料性質(zhì)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(jù)樣品形態(tài)（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(shí)驗(yàn)過程中參比坩堝和樣品坩堝型號(hào)一致。固體粉末且非揮發(fā)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(shí)可以提高熱接觸。而密封坩堝常常測(cè)試液體樣品和含有易揮發(fā)成分的樣品。如果測(cè)試目的是氧化性實(shí)驗(yàn)或光固化實(shí)驗(yàn)，坩堝蓋子可以不使用。接下來請(qǐng)兩名同學(xué)動(dòng)手稱量約7mg的聚乙烯樣品。在稱量過程中，強(qiáng)調(diào)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(cè)，以免影響數(shù)據(jù)結(jié)果。完成稱量后，請(qǐng)同學(xué)將坩堝放置于樣品盤1Pan和2Pan中。

2.5程序設(shè)置

在介紹軟件界面時(shí)，可以首先解釋每一個(gè)信息欄所提供的信息。例如機(jī)器現(xiàn)在的溫度是多少？添加程序在哪個(gè)模塊？樣品程序設(shè)置在哪里？如何填寫樣品的基本信息？教學(xué)過程中會(huì)引導(dǎo)學(xué)生思考，樣品坩堝放在了什么位置，根據(jù)坩堝類型，參比盤選哪個(gè)合適？演示結(jié)束后，選擇兩名同學(xué)進(jìn)行動(dòng)手操作，以考查他們對(duì)所學(xué)知識(shí)的掌握情況。讓學(xué)生A設(shè)置一個(gè)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(qǐng)學(xué)生B設(shè)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(xué)生操作過程中，提供適當(dāng)?shù)奶崾?，設(shè)置完畢后點(diǎn)擊開始實(shí)驗(yàn)。在實(shí)驗(yàn)過程初期，請(qǐng)同學(xué)們觀察自動(dòng)進(jìn)樣器是否順利抓取樣品放入爐子內(nèi)，并提出問題請(qǐng)同學(xué)們思考：不同升溫速率得到的數(shù)據(jù)結(jié)果會(huì)有什么不同？

2.6數(shù)據(jù)分析

實(shí)驗(yàn)結(jié)束后，同學(xué)們對(duì)得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，當(dāng)同學(xué)們觀察到DSC曲線上有一個(gè)明顯的峰時(shí)，可以引導(dǎo)他們思考這條曲線的含義是什么？根據(jù)圖2可知，左下角EXOUp的含義是峰向上代表放熱。從而我們認(rèn)定聚乙烯在升溫過程中出現(xiàn)了吸熱現(xiàn)象即熔融。當(dāng)升溫速率為10℃/min時(shí)，聚乙烯的熔點(diǎn)在126.68℃；當(dāng)升溫速率為50℃/min時(shí)，聚乙烯的熔點(diǎn)在127.84℃。我們發(fā)現(xiàn)升溫速率越快，熔點(diǎn)值會(huì)向高溫移動(dòng)，這就是所謂的熱滯后現(xiàn)象。因此，我們應(yīng)盡量選擇合適的升溫速率，例如10℃/min，以獲得更準(zhǔn)確的熔點(diǎn)數(shù)據(jù)。通過這樣的分析和解釋，學(xué)生可以理解不同升溫速率對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的影響，并明白為什么選擇適當(dāng)?shù)纳郎厮俾蕦?duì)準(zhǔn)確測(cè)定熔點(diǎn)很重要。

3結(jié)論

該實(shí)驗(yàn)課的設(shè)置有利于學(xué)生進(jìn)一步了解儀器原理和結(jié)構(gòu)，并熟悉軟件操作、數(shù)據(jù)分析等。為本科畢業(yè)設(shè)計(jì)奠定了一定基礎(chǔ)，同時(shí)提高了學(xué)生的科學(xué)研究熱情，總體效果良好。但實(shí)驗(yàn)存在的不足主要有以下幾點(diǎn)［67］：（1）由于實(shí)驗(yàn)課安排比較晚，理論與實(shí)驗(yàn)不能很好地結(jié)合。（2）實(shí)驗(yàn)儀器及相關(guān)配套設(shè)施較少，學(xué)生動(dòng)手機(jī)會(huì)很少，存在一部分學(xué)生參與度不夠。（3）沒有一定的考核制度，學(xué)習(xí)效果不理想。針對(duì)以上提出的不足之處，可以考慮以下改進(jìn)措施：

（1）調(diào)整實(shí)驗(yàn)課程安排：可以將理論知識(shí)與實(shí)驗(yàn)課程盡量垂直設(shè)置，避免遺忘較多。也可以在實(shí)驗(yàn)課程前進(jìn)行預(yù)習(xí)，或者在實(shí)驗(yàn)課后進(jìn)行知識(shí)回顧，以鞏固學(xué)生的理論基礎(chǔ)。

（2）增加實(shí)驗(yàn)設(shè)備和配套設(shè)施：教務(wù)處可以加大對(duì)實(shí)驗(yàn)設(shè)備的投入，以滿足學(xué)生的參與需求。確保實(shí)驗(yàn)室資源充足，并做到學(xué)生動(dòng)手操作的機(jī)會(huì)相對(duì)均衡。

（3）引入考核制度：可以考慮設(shè)置實(shí)驗(yàn)報(bào)告、實(shí)驗(yàn)操作技能考核等形式的考核制度，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性和主動(dòng)性。通過考核制度，可以促使學(xué)生更加認(rèn)真、深入地學(xué)習(xí)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，并且能夠?qū)W(xué)生的學(xué)習(xí)效果進(jìn)行評(píng)估。

此外，開設(shè)實(shí)驗(yàn)室開放日、選拔優(yōu)秀學(xué)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(xué)生提供更多學(xué)習(xí)和交流的機(jī)會(huì)，提高他們的動(dòng)手操作能力和科研能力，為他們今后的職業(yè)發(fā)展打下堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

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項(xiàng)目：國(guó)家自然科學(xué)基金（22002074）

作者簡(jiǎn)介：張旭良（1990—），男，漢族，山東淄博人，博士研究生，實(shí)驗(yàn)師，研究方向：化學(xué)。