ATR红外光谱在汽车塑料零件材质分析中的应用

董文生

（一汽-大众汽车有限公司，长春 130011）

1 前言

随着现代汽车工业的进步，非金属材料因其具备一系列优异的性能在汽车材料中所占比重逐步提高。采用塑料、橡胶、油漆、粘接剂、织物、皮革等非金属材料所制造的零件广布于汽车的内外饰、动力总成、底盘、电子电气等领域。

然而，由于各种不同的原因，汽车零件会出现各种质量问题，对汽车零件出现的各种质量问题进行快速准确分析、找到问题的根本原因并采取合理的改进措施，对整个汽车产业链而言均是极具重要和充满挑战的工作。

对于非金属零件分析而言，红外光谱分析作为近代有机化合物最成熟有效的分析方法之一，成为汽车非金属材料分析中的重要手段，广泛应用于如材料种类鉴别，未知异物及污染物的鉴定，以及材料老化的判别评估等工作。

2 ATR红外光谱介绍

2.1 红外光谱

红外光作为电磁波的一种，按波长分为远红外、中红外和近红外三个区。中红外区(4000～400 cm-1)为红外光谱仪的常用范围。

当频率连续变化的红外光照射在待检材料样品上时,样品材料分子会选择性吸收特定频率的红外光，使材料分子的振动以及转动能级从基态向激发态跃迁，通过检测装置可记录该材料分子对不同频率红外光的吸收情况，并经过软件处理可绘制出待测材料的红外光谱。

因不同物质具有不同的分子结构,所以产生的红外吸收光谱也不同，根据各种物质的红外特征吸收峰的位置、强度和形状等参数,可推断出试样中存在的基团,进而确定其分子结构和材料种类。另外依据物质浓度与特征吸收峰的强度成正比关系,可进行红外光谱的定量分析。

任何气态、液态、固态样品均可进行红外光谱测定。

红外光谱技术已广泛应用于高分子材料，各种有机物，以及一些无机物的分析[1-3]。

2.2 衰减全反射红外光谱

传统的红外光谱采用透射法,其制样方法如热压膜法难度大，过程繁琐，耗时费力。而衰减全反射(Attenuated Total Reflection，ATR)红外光谱是通过样品表面的反射信号获得样品表层成份的结构信息。其样品的制作简单快捷,同时对样品要求的量较少，只要将样品置于反射晶体上并充分接触，便可采集红外光谱，因而极大地扩大了红外光谱法的应用范围，广泛应用于各种物质的成份分析。

但是相比之下，透射法所获取的谱图信息更为丰富，因此在特定情况下，仍必须采用透射法进行分析。但在绝大多数情况下，ATR红外光谱完全可以满足汽车领域非金属材料的检测与分析的需要。

3 分析案例

3.1 案例背景

某车型的一种进口塑料件表面存在黑色物质，类似于零件局部表面受到了黑色异物的污染，但是用酒精，异丙醇等溶剂均无法将黑色物质擦掉。问题零件见图1,其中右侧为问题件，箭头所示的局部区域存在黑色物质；左侧为正常零件。

3.2 显微分析

采用显微镜对问题件黑色物质区域进行观察发现，黑色物质并不在零件的最外表面，而是处于灰白色塑料的下层，即黑色物质实际上被灰白色塑料所覆盖，因灰白色塑料层较薄呈半透明而可以看到其下面的黑色物质。见图2。

3.3 红外分析

首先采用锋利的刀片切取问题件正常灰白色区域进行ATR红外光谱分析，所得到的红外图谱见图3。

所得到的红外谱图较为复杂，分析过程如下。

谱图上在波数699 cm-1、760 cm-1同时存在吸收峰，通常为苯环上氢的面外弯曲振动[4],波数1 602 cm-1的吸收峰通常为苯环的骨架振动[4],波数3 028 cm-1和3 066 cm-1的2个吸收峰通常为苯环上C-H伸缩振动所引起，结合以上吸收峰可确认材料分子中含有单取代苯环结构；波数911 cm-1和966 cm-1的二个吸收峰比较明显[4],表明材料分子中存在丁二烯结构；而波数2 240 cm-1的吸收峰表明材料分子中存在腈基；根据以上所有吸收峰判断，零件材料中含有ABS塑料成分。

在波数1 771 cm-1的吸收峰通常为芳香酯羰基C=O的伸缩振动;波数1 221 cm-1、1 190 cm-1、1 161 cm-1三个连续的强吸收峰通常为C-O的伸缩振动所引起；波数1 505 cm-1、1 085 cm-1、1 014 cm-1和831 cm-1处的吸收峰表明材料分子中存在对位取代苯环;基于以上所有吸收峰判断,零件材料中含有双酚A型PC塑料成分。

综合以上所获取的红外谱图信息，可判断零件正常区域所用的材料为ABS与PC的共混改性塑料。

用锋利的刀片切取问题件黑色区域进行ATR红外光谱分析，所得到的红外图谱见图4。

该谱图的分析过程如下。

图4的红外谱图中，在波数3 296 cm-1存在明显的吸收峰,该峰通常由酰胺基的N-H的伸缩振动引起；另外在波数1 631 cm-1、1 538 cm-1、1 276 cm-1存在明显吸收峰，与酰胺吸收带I,II,III相对应；以上信息表明该材料中含有聚酰胺成分[5],另外根据在935 cm-1存在明显吸收峰可判断该聚酰胺的种类为PA66。

另外，在波数1 771cm-1、1 223 cm-1、1 197 cm-1、1 162 cm-1、1 080 cm-1、1 015 cm-1、834 cm-1均能看到吸收峰，表明黑色区域仍含有一定的PC成分;同时，在波数700 cm-1、760 cm-1、965 cm-1也可看到吸收峰，表明黑色区域仍含有一定的ABS成分。但以上吸收峰与图3的红外谱图相比，峰高明显变小，同时基本观察不到波数1 601cm-1，1 505 cm-1和2 237 cm-1等吸收峰。以上情况表明黑色区域的绝大部分材料为PA66，但仍混有少量的PC和ABS。

3.4 分析结论

根据ATR红外光谱分析结果可以判断,零件的正常区域所用的材料为PC与ABS的共混物,黑色区域则是混入的黑色PA66；同时结合显微镜观察结果，黑色的聚酰胺66(PA66)并未处于零件表面的最外层，而是被一层聚碳酸酯(PC)与丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物(ABS)共混物所覆盖。由于此零件表面并非沾染了小分子物质，因而用普通有机溶剂无法擦除。

该问题可能由于供应商在之前所生产的零件采用了PA66材料，而在切换生产采用PC与ABS的共混物的零件前没有将注塑机料筒清理干净，因而导致在注塑时少量残留的黑色PA66混入到灰白色PC与ABS的共混物中，从而造成零件表面存在黑色区域，并被误认为沾染的外来异物。

4 结束语

通过以上案例可以看出,采用ATR红外光谱分析技术,在汽车非金属零件的问题分析中，特别是材料鉴定中，因其方便快捷、功能强大,可以有助于快速分析出非金属件产生问题的原因。

同时在未知材料的红外鉴定时，往往需要进行人工解谱,而不能过度依赖红外光谱仪所配的软件给出的匹配结果。另外，仅依靠标准谱库也是不够的，分析人员应对所涉及的非金属零件及材料建立相应红外谱库，红外谱库对于后期的质量控制及问题分析有很大的帮助。