FTIR、DSC、TGA在汽车用非金属材料鉴定中的应用

张雪芬,狄春峰,胡仁其

(上海汽车集团股份有限公司乘用车分公司,上海 201804)

0 前言

随着汽车工业的高速发展，环保和轻量化已经成为世界汽车材料技术发展的主要方向,减轻汽车自重是目前降低汽车排放、提高燃烧效率最有效的方法之一[1]。“以塑代钢”是现代汽车工业发展的主导方向，非金属材料在汽车上的使用量正在逐年增加，正从内外装饰件向结构件方向发展[2]。红外光谱(FTIR)、差示扫描量热法(DSC)和热重分析(TGA)可以方便地获得汽车用非金属材料的特征值，从而判断材料的主要成分，鉴定其是否满足标准要求，达到质量控制的目的。

FTIR是根据被测物质吸收峰的强度、位置和形状来推断未知物的基团和结构，具有快速、灵敏度高、重复性好、试样用量少等特点，是高分子材料结构研究的基本方法和材料分析的重要手段[3]。FTIR对样品的适用性相当广泛，无论固态、液态或气态都可进行测定，其对化合物的鉴定和有机物的结构分析具有鲜明的特征性：构成化合物的原子质量不同、化学键的性质不同、原子的连接次序和空间位置不同都会造成谱图的差别[4]。

热分析是在程序温度控制下，测量物质的物理性质与温度之间关系的一类技术，最常用的包括DSC和TGA。

DSC是在程序温度控制下，测量试样与参比物之间的功率差与温度关系的一种技术。利用DSC测得的熔点和玻璃化转变温度，可以对车用非金属材料进行判定，有着相当重要的意义[5]。

TGA是在程序温度控制下，测定非金属材料的质量变化与温度、时间关系的一种技术。通过TGA可以有效地分析车用非金属材料的含水率、添加剂的含量、各有机物的含量，以及无机填料的含量，可以有效地对混合物的组成进行测定，是零件材料质量管控的一种有效手段。

随着塑料在功能件领域的扩展，需要使用塑料合金材料和功能材料来满足功能零件的要求，对合金材料和功能材料的鉴定显得尤其重要，笔者以塑料卡扣和塑料连杆两种功能零件作为测试对象，详述了FTIR、DSC和TGA在汽车非金属材料鉴定中的应用。

1 实验部分

1.1 实验仪器

傅里叶变换红外光谱仪，Nicolet 6700，赛默飞世尔科技(中国)有限公司；

差示扫描量热仪，TA Q20,仪器-沃特世科技(上海)有限公司；

热重分析仪,LABSYS，法国塞塔拉姆仪器公司；

电子天平，METTLER TOLEDO XS105Dual Range，梅特勒-托利多上海公司。

1.2 实验样品

塑料卡扣，聚甲醛-聚四氟乙烯(POM+PTFE)；

塑料连杆，33%玻璃纤维增强尼龙66(PA66GF33)。

2 结果与讨论

2.1 塑料卡扣(POM+PTFE)

2.1.1 FTIR分析

对塑料卡扣进行FTIR分析，测试条件为：金刚石衰减全反射(ATR)模式测定，扫描范围400～4 000 cm-1，扫描次数16次，分辨率4 cm-1。

图1为塑料卡扣的FTIR谱图。由图1可以看出：2 915～2 940 cm-1，2 845～2 850 cm-1及对应的是聚甲醛(POM)的—CH2—的伸缩振动，1 100 cm-1和890 cm-1对应的是POM的C—O的伸缩振动，1 200 cm-1和1 150 cm-1对应的是聚四氟乙烯(PTFE)的C—F的伸缩振动[6]。通过这些特征吸收峰，结合图2和图3，可以初步判断该样品的材料为POM+PTFE。

图3 PTFE的FTIR谱图

图2 POM的FTIR谱图

图1 塑料卡扣的FTIR谱图

2.1.2 DSC分析

称取5～10 mg的样品(塑料卡扣)，在流速50 mL/min的氮气气氛下，以10 K/min的速率从50 ℃升温至360 ℃，保温5 min；以5 K/min的速率降温至50 ℃，保温5 min；再以10 K/min的速率从50 ℃升温至360 ℃。图4为塑料卡扣的DSC曲线。由图4可以看出，样品的熔融温度约为158 ℃和328 ℃。

图4 塑料卡扣的DSC曲线

熔融温度是聚合物从固态转变为液态的温度。对于结晶型聚合物，指大分子链结构的三维远程有序态转变为无序黏流态的温度，也称熔点，是结晶型聚合物成型加工温度的下限。每个物质都有其特定的熔融温度。共聚POM的熔融温度在160 ℃左右，PTFE的熔融温度在327 ℃左右，结合谱图结果，可以判定该样品的材料是POM+PTFE。

2.1.3 TGA

称取8～12 mg的样品(塑料卡扣)，以10 K/min的速率通氮气从室温升至350 ℃，保温5 min;以10 K/min的速率通氮气从350 ℃升至650 ℃,保温5 min;切换为空气，对炭黑进行燃烧，以10 K/min的速率从650 ℃升至950 ℃，保温5 min。图5为塑料卡扣的热失重曲线。从图5可以看出:样品的两种有机物的质量分数分别是82%和18%，依据FTIR和DSC测试结果，可以得出POM的质量分数是82%，PTFE的质量分数是18%。塑料卡扣原材料供应商提供的数据中POM和PTFE的质量分数分别为82%和18%，验证了测试结果的正确性。

图5 塑料卡扣的TGA曲线

综合FTIR、DSC及TGA结果，可以得出塑料卡扣的材质是POM+PTFE,POM和PTFE的质量分数分别为82%和18%,测试所得的结果与塑料卡扣的材料一致；这三种方法的联合使用可以100%确认塑料卡扣的材料，其结果可以用来对零件材料的质量进行有效控制。

2.2 塑料连杆(PA66GF33)

2.2.1 FTIR分析

对塑料连杆进行FTIR分析，测试条件为：ATR模式测定，扫描范围400～4 000 cm-1，扫描次数16次，分辨率4 cm-1。

图7 PA6的FTIR谱图

图6 塑料连杆的FTIR谱图

2.2.2 DSC分析

在很多情况下，由于零件中添加了无机填充物、抗老化剂等，无法有效地判定聚酰胺的种类，可以通过对材料热性能的测试，结合FTIR分析，对零件材料进行定性。

称取5～10 mg样品(塑料连杆)，在流速50 mL/min的氮气气氛下，以10 K/min的速率从50 ℃升温至280 ℃，保温5 min；以5 K/min的速率降温至50 ℃，保温5 min；再以10 K/min的速率从50 ℃升温至280 ℃。图8为塑料连杆的DSC曲线。

图8 塑料连杆的DSC曲线

从图8可以看出:样品的熔融温度为261 ℃。PA66的熔融温度在260 ℃左右，而PA6的熔融温度在220 ℃左右，进一步证明了该样品的材料为PA66。

2.2.3 TGA

采用与塑料卡扣相同的测试程序，对塑料连杆(PA66GF33)进行TGA(见图9)。从图9可以看出:样品在30～300 ℃的失重率为1.849%，为挥发性物质的成分(水、塑化剂、残余溶剂等)；在300～650 ℃的失重率为64.63%，为聚合物的成分；在650～950 ℃的失重率为2.725%，为可氧化的残留物的成分(炭黑等)；所以该零件的无机物质量分数约为31.0%。

图9 塑料连杆的TGA曲线

依据分析结果，塑料连杆的材料为PA66，无机物的质量分数为31.0%，符合零件的材料要求。FTIR、DSC、TGA的联合使用，从三个维度确认了零件的材料，可以用来对零件材料的质量进行有效管控。

3 结语

综上所述，可以通过材料的FTIR谱图判断汽车用聚合物的种类，通过DSC测定聚合物的特征温度(熔融温度和玻璃化转变温度)，从而进一步判断聚合物的种类；通过TGA，分别测出聚合物中有机物各组分的质量分数及无机填料的质量分数。通过这三种测试手段，可以正确判断汽车用非金属材料,从而加强对汽车用非金属材料的质量控制。