技术研究 | PA6比热容测试影响因素探究
2025-09-02比热容是单位质量的物质温度升高或降低1℃所吸收或放出的热量，反应了材料吸热或放热的能力。
DSC测试比热容因其简单快捷成为目前测试比热容比较普遍的方法，但是该方法测试的误差较大，所以针对此本文以尼龙6（PA6）为研究对象，通过对测试坩埚是否预加热、升温速率、初始恒温时间、测试过程中是否存在相变、标物质量及样品质量、温度跨度以及比热容测试的基线、标物和样品是否使用同一坩埚等方面进行试验，探究PA6的比热容测试影响因素。
对比分析比热容测试标准中具体细节要求，并与日常测试时的操作进行对比，如表1 所示。依据表1对比结果进行比热容测试影响因素试验，具体试验方案如表2所示。其中添加空坩埚重复加热是考虑比热容测试时均要扣除第一次坩埚修正的基线，但是空坩埚未加热前坩埚表面存在部分污染物或涂层，所以空坩埚第一次加热与之后再加热是否具有很好的重复性却是未知的，若重复性较差则会直接影响测试结果，所以将坩埚重复加热的重复性也作为比热容的测试影响因素进行探究。
表1 比热容测试标准对比
表2 试验方案
3.1 空坩埚重复加热
测试程序为：初始温度20℃，恒温5min，之后分别以10K/min、15K/min、20K/min的升温速率升温至280℃，气氛为N2，吹扫气与保护气流量为50mL/min。对比空坩埚在不同升温速率下重复加热测试曲线的差异，测试结果如图1所示。从图1中可以看出，升温速率为10K/min、15K/min、20K/min时空坩埚第1次加热测试曲线与第2-5次加热测试曲线偏差大，且第2-5次加热时测试曲线的重复性较好。
（a）升温速率为10K/min重复测试曲线
(b) 升温速率为15K/min重复测试曲线
(c) 升温速率为20K/min重复测试曲线
图1空坩埚重复加热测试曲线
以尼龙6为测试样品，按照空坩埚重复加热时的测试程序进行试验，升温速率为10K/min，对比空坩埚经过第一次加热后再进行比热容测试与空坩埚直接进行比热容测试结果的重复性，试验结果如图2所示。从图2中可以看出坩埚经过一次加热后再进行比热容测试，测试结果具有较好的重复性。
（a）坩埚未预热
（b）坩埚预热1次
图2 坩埚未预热与预热1次比热容测试重复性曲线
3.2 温度跨度
比热容测试标准GB/T 19466.4明确表明比热容测试时温度跨度为50-100K，但是标准ASTM E1269与NB/SH/T 0632-2014却未明确温度跨度要求。采用分段测试比热容的测试结果与不分段测试比热容结果的差异，从图3中可以看出当温度跨度大于100K时，分段测试结果较未分段测试结果稍偏高，所以针对此，建议后期比热容测试时若测试程序温度跨度超过100K，最好采取分段测试。
图3 不同温度跨度比热容测试曲线
3.3 是否含有相变
比热容测试时，依据不同温度比热容的测试需求，有时测试过程中会包含相变，为了探究测试过程中含有相变与不含相变对比热容测试结果的差异，从图4可以看出针对PA6材料是否含有相变对比热容的测试结果影响不大。
图4 是否含有相变比热容测试对比曲线
3.4 不同升温速率与恒温时间
比热容测试时会设置等温阶段，其设置的目的在于使试样达到热平衡，以此保证试验测试的起始温度一致，从而提高数据的准确性以及重复性。一般只要时间足够长均能达到热平衡，但是实际测试时需要兼顾准确性与测试效率。所以探究不同恒温时间对比热容测试结果的影响。试验结果如图5所示。从图5可以看出随初始恒温时间的延长，比热容测试结果逐渐增大。所以若测试时间允许可以适当延长比热容的恒温时间。
除此之外不同的升温速率也可能会导致比热容测试结果的不同，一般来说，升温速率过快，会导致热效应往高温方向漂移，测得的比热数据也会偏低。所以探究不同升温速率对比热容测试结果的影响，试验结果如图5所示，从图5可以看出不存在相变时，比热容随升温速率的增加呈下降的趋势，但是差异并不明显。所以这也表明在合理的升温速率范围内，其对比热容测试的影响并不显著。
图5 不同升温速率与恒温时间的比热容测试曲线
3.5 测试是否采用同一坩埚
日常测试比热容时采用同一坩埚进行测试，但该操作的缺点是需要人员实时跟踪，而标准GB/T 19466.4表明可以使用3套样品质量不超过0.1mg的坩埚进行测试，从图6可以看出，比热容测试时非同一坩埚的测试结果稍高于同一坩埚的比热测试结果。所以后期比热容测试时尽量使用同一坩埚。
图6 是否使用同一坩埚的比热容测试曲线
3.6 不同标物质量
比热容蓝宝石标准样品有不同的质量，探究不同质量的蓝宝石对比热容测试结果的差异，结合PA6试样自身的比重以及坩埚内部的容积，本次试验选取蓝宝石质量为11.31mg、24.9mg和37.1mg的标准物质进行试验，试验过程中试样质量与蓝宝石质量保持一致。从图7可以看出，比热容随蓝宝石质量的增加呈下降的趋势，但24.9mg与37.1mg蓝宝石测得的比热容相近。
图7不同标物质量的比热容测试曲线
3.7 不同样品质量
比热容测试标准明确强调标准物的热容尽可能与待测试样品相匹配，在以往测试过程中大多采用的是测试样品与蓝宝石的质量一致进行测试，从图中可以看出采用同一质量的蓝宝石时，比热容随样品质量的增加逐渐增加。
图8 不同样品质量的比热容测试曲线
1. 比热容测试时为保证试验结果的准确性以及具有较好的重复性，建议比热容测试时先将坩埚加热一次后再用来测试比热容。
2. 比热容测试时空白试验、校准试验以及试样试验最好使用同一坩埚，温度跨度超过100K时最好进行分段测试，升温速率一般采用10K/min或20K/min，恒温时间一般为5min，若条件允许时可适当延长。
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