FTIR检测

高分子材料在当今世界乃至未来的世纪都充当着举足轻重的角色，尤其是在开发新型替代能源方、节约资源、能源和保护生态环境方面更是发挥着的作用。为了实现高分子材料的更多功能，新的高分子材料层出不穷。为了高分子材料的质量，杜绝以次充好，以假乱真的现象，市场对高分子材料质量的管控提出了越来越高的要求。

目前关于高分子材料管控的标准比较少，中国质量认证中心2011年发布《关于家用和类似用途设备用非金属材料材质一致性判定方法和准则的技术决议》，该决议选用密度，红外光谱(FTIR)，差示扫描量热(DSC)和热重分析(TGA)作为非金属材料材质一致性判定的方法，其中密度是一种参考的方法，主要还是后三种。另外，UL高分子材料一致性评定审核中，FTIR、TGA、DSC这三项测试来评定不同批次的材料材质与备案的材料材质是否一致。选用这三种方法来评价材质一致性的原因主要还是跟这三种方法本身的特点有关系。本文针对这三种方法分别进行介绍。

1.红外光谱法(FTIR)

FTIR全名为傅里叶变换红外光谱法，其原理是物质分子中的基团吸收红外光，产生特征红外吸收谱带，通过这些特征红外吸收谱带进行物质结构分析。由于不同的物质基团的种类不同，基团排布的方式不同，因此表现出来的红外谱图也会存在一定的差异。

a 高分子材料材质一致性判定方法介绍 b 高分子材料材质一致性判定方法介绍
图1. 聚乙烯(a)和聚氯乙烯结构式(b)



聚乙烯(PE)和聚氯乙烯(PVC)的结构式如图1所示，聚乙烯的官能团主要是链状的亚甲基(CH2)，而聚氯乙烯的官能团主要包括：亚甲基(CH2)、次甲基(CH)、C-Cl。根据其官能团的特点，聚乙烯(PE)和聚氯乙烯(PVC)所体现出来的红外谱图如图2所示。

a 高分子材料材质一致性判定方法介绍

b 高分子材料材质一致性判定方法介绍

图2. 聚乙烯(a)和聚氯乙烯(b)的红外谱图

聚乙烯(PE)红外谱图上，2916cm-1,2848cm-1,1470cm-1及720cm-1特征峰均为链状亚甲基(CH2)的吸收峰。而聚氯乙烯的红外谱图，614cm-1,634cm-1,691cm-1是聚氯乙烯的C-Cl的吸收峰，1429cm-1为CH2的吸收峰，由于受到邻位氯的影响其位移发生变化（通常为1460cm-1）。1251cm-1通常是CH的吸收峰，由于氯原子的影响峰强度显著增强。



通过以上分析可以看出，不同的化合物其结构会存在差别(主要是官能团的类型和连接方式不一样)，这种差别在红外谱图上会体现出不同的谱峰，因此通过红外谱图的比较，可以得到样品所含化合物的差异或化合物结构上的差异。

2. 热重分析法(TGA)

TGA法（热失重分析法），其原理是测量样品质量随温度或时间的变化关系。高聚物一般都有其特定的分解温度，不同阶段表示不同组分的分解，温度从低到高依次为小分子物质（水分，有机添加剂等）分解，高聚物分解，无机物的分解（炭黑，碳酸钙的分解），后为残余的灰分（主要是材料中的无机添加剂或其分解产物）。不过不同升温程序的设置，其分解物的类型会有所差别。



实际分析过程主要分析曲线的形状和变化趋势有无明显差别，关注的参数主要有分解起始温度、终止温度和一阶微分温度的变化，各阶段降解量和残余量的变化。

高分子材料材质一致性判定方法介绍


图3. 高分子材料热失重曲线

2. DSC（差示扫描量热法）

DSC法（差示扫描量热法）是样品在一定的温度程序(升/降/恒温)控制下，测量样品与参比物之间的能量差随温度或时间的变化过程。此法可以用来研究材料的熔点，结晶度，相转变，热历史，玻璃化转变温度，氧化诱导时间，比热容，纯度等。



对于一些结晶性材料（聚丙烯、聚乙烯、聚酰胺等）有非常特征的熔点和结晶点(如图4和图5)。低密度聚乙烯和高密度聚乙烯在FTIR谱图上没有明显的差别，但是两者的熔点相差约25℃，因此DSC法可以很好的控制这种物理结构或空间结构存在差别的情况。

高分子材料材质一致性判定方法介绍
图4.低密度聚乙烯(LDPE)

高分子材料材质一致性判定方法介绍
图5.高密度聚乙烯(HDPE)
对于一些非结晶性材料（橡胶，热固性塑料等）有其特征的玻璃态转化点(如图6)。这些都可以用来对材料进行表征分析。

高分子材料材质一致性判定方法介绍


图6.聚碳酸酯(PC)

实际分析中主要分析曲线的形状和变化趋势，与此同时关于一些特征物理参数的变化量，例如玻璃态转化点、熔点温度、结晶温度等。

需要注意的是高分子材料材质一致性判定要有一个参照品，此参照品的质量和性能是被确定了的能够满足要求。然后分别测试参照品和对比样品的红外谱图，热失重曲线和差示扫描量热曲线，通过测试的结果分析对比样品与参照品的差异或判定两者是否一致。所以此方法是一种很好的质量管控的方法。



当然，一致性判定的方法不是一成不变的。针对产品的特点或相关方的关注点还可以选择其他不同的材料分析方法作为管控的手段，例如密度法、气相色谱-质谱联用法(GC-MS)、元素分析法、X射线粉末衍射法(XRD)、其他物理性能表征等。另外在了解产品的基础上或从经济角度出发，也可以只选择其中一种或两种方法进行比对测试分析。选择方法的原则是操作简单快捷，针对性强，尽量能够包括更多的样品信息(化学的和物理的)。