PC/ABS 合金中PC 含量的测定研究

朱宗锐ZHU Zong-rui

（贵州航天电器股份有限公司，贵阳 550009）

0 引言

聚碳酸酯（PC）/丙烯腈-丁二烯-苯乙烯（ABS）合金由于其优越的功能特性，作为一种高级的复合树脂被广泛应用于医疗、军工、航天等特殊领域。单纯的PC 和ABS 产品在使用过程中有以下缺点：对于PC 产品，加工流动性差、容易发生应力开裂、对缺口敏感、易磨损，老化、耐磨性差等；对于ABS 产品，耐热和耐候性差，抗冲击和拉伸强度较低。PC 和ABS 共混之后可综合两者的优良性能，不仅能提高ABS 的耐热性和拉伸强度，还可以降低PC 熔体粘度，减少材料内应力，改善制品的加工性、提高低温抗冲击能力、耐化学性能。

在材料的使用过程中，时常有碰到PC/ABS 合金零部件发生断裂失效的事件，对失效件的分析，查找失效的根本原因一直是各公司所倡导的。零部件的性能优劣，首先取决于材料本身，以及制造工艺等因素。查阅相关文献得知，PC/ABS 合金的性能优劣除了材料本身之外，PC 和ABS 的配比也是一个重要的影响因素。PC/ABS 合金中各组分含量对合金的冲击强度、拉伸性能、相容性、脆韧转变温度、耐化学性等性能影响很大[1]。

如何准确快速地测定PC/ABS 合金中各组分的比例，对加强零部件前期的质量管控和判定材料失效的原因都有较大的帮助。本文首先从材料的热性能差异以及物质红外特征吸收的强弱出发，探索利用热失重分析法（TG）和傅立叶变换红外光谱法（FTIR）来测定PC/ABS 合金中的PC 含量。

1 标准样品制备

本实验所用原材料为注塑用塑料粒子，为了提高PC/ABS 共混物的混合均匀性，减小实验误差，使用研磨机分别将PC 和ABS 研磨成粉末状颗粒。

用分析天平按照PC 在PC/ABS 共混物中的质量分数为0%、20%、40%、50%、60%、80%、100%分别称取PC 和ABS 粉末，并充分混合均匀。将各个比例的PC/ABS 共混物粉末分别置于干净的100mL 烧杯中，在控温电热板上（熔融温度设置为260℃）进行充分熔融混合，待冷却后取出密封保存。

2 热失重分析法

2.1 实验思路与过程

在程序升温下，如在惰性气氛中，聚合物会在一定温度下发生分解反应，该反应一般情况下为吸热反应。只要准确记录各个分解反应所伴随的质量损失和焓变，就可以计算出相应物质的含量[2]。用该方法进行混合物定量分析时，难点在于如何设计实验条件，使混合物中各个物质的分解温度区间相互独立，不重叠、不相互干扰。

对聚合物的热失重曲线进行微分可以更好地观察热失重阶梯的变化趋势，同时也可以对微分曲线进行积分，计算质量损失。对PC/ABS 合金进行热失重分析，本实验思路希望得到一个曲线较好的状态，即待分析化合物均有明显的、可正确定量的阶梯，达到这种要求时，就可以通过软件计算各物质质量减少的百分比，直接得出PC 和ABS在合金中的质量占比。

查阅文献得知纯PC 和纯ABS 的热分解温度相差在50℃以上，本文构想利用PC/ABS 合金中PC 和ABS 组分热分解温度不同产生的热重（TG）阶梯来区分PC/ABS 共混物中PC 和ABS 组分的含量占比。选取标准样品中PC质量分数为50%的PC/ABS 共混物进行如下实验。

分别称取约10mg 纯PC、纯ABS 粉末进行热失重实验，试样在氩气气氛下从室温加热到800℃，升温速率均为10K/min，记录各自的热失重曲线。另准确称取10mg PC含量50%的PC/ABS 混合物4 份，设置实验温度为：40℃至800℃，升温速率分别为5K/min，10K/min，20K/min，40K/min，均在氩气气氛下进行，吹扫气流速20mL/min。

2.2 数据分析

通过实验得到不同升温速率下PC/ABS 共混物、纯PC和纯ABS 的热失重曲线，分析得知纯PC 和纯ABS 的分解温度区间虽然可以拉开，但是对PC/ASB 合金（PC、ABS各含50%）在不同的升温速率下测试结果显示，5K/min，10K/min，20K/min 时，样品的分解温度只是随着升温速率的增加稍微向高温方向移动，升温速率为40K/min 时，曲线有出现阶梯的趋势，但是并不明显，无法进行定量区分。未出现明显定量阶梯的原因可能是由于两者的分解温度区间相差比较小，单纯通过改变升温速率的方法很难拉开两者的分解温度区间，目前尚未找到有效的解决方案，本实验方法作为一种实验思路，可供参考。

3 傅立叶变换红外光谱法

3.1 实验思路与过程

傅立叶变换红外光谱分析是鉴定有机物成分的重要分析方法，其原理是：将红外光照射在被测材料上，通过检测材料吸收光的强弱来判断有机物的结构。由于不同的物质具有不同的分析结构，其吸收不同的能量而产生相应的红外吸收光谱，再根据各种物质的红外特征吸收峰位置、数量、相对强度和形状等参数，即可推断样品中存在哪些基团，并确定其分析结构，这是红外光谱定性和结构分析的依据；在朗伯-比尔定律中，同一物质不同浓度时，在同一吸收位置有不同的吸收峰强度，且浓度和强度成正比关系，即：

A 为吸光度，K 为摩尔吸收系数，c 为吸光物质的浓度，b 为吸收层厚度，这是红外光谱定量的依据[3，6]。

运用傅立叶变换红外光谱曲线模型采集PC 含量分别为0%，20%，40%，50%，60%，80%，100%的PC/ABS 共混物的红外光谱图，对所采集的红外光谱图进行分析和处理。

3.2 数据分析

3.2.1 红外定量峰的选择

红外定量峰的选择对定量结果起决定性作用，在选取红外定量谱带时，应遵循以下原则：

①应是红外特征吸收峰，吸收强烈且有较高灵敏度；

②分析谱带应较为独立，重复性好，不受其它组分的干扰；

③吸光度能够准确量取，不受基线的影响[4]。

PC/ABS 共混物、纯PC 和纯ABS 的FTIR 谱图如图1所示。PC/ABS 共混物的FTIR 谱图可近似地认为是PC 和ABS 的FTIR 谱图的叠加。在PC 的FTIR 图谱中，有两处峰吸收较强，灵敏度较好，分别是位于1770.65cm-1处C=0的伸缩振动和位于1223.88cm-1～1161.41cm-1处的C-0 伸缩振动。1223.88cm-1～1161.41cm-1处3 个连续的C-0 伸缩振动虽然吸收较强灵敏度也较高，但此处3 个连续的吸收峰并不能完全分离，导致其吸光度量取不精准，波动较大，很容易受不同基线选取方法的影响，因此不适宜作为PC的特征定量吸收峰。同样吸收强烈、灵敏度较高的位于1770.65 cm-1处的C=0 高频伸缩振动，谱带独立无干扰，吸收峰两边基线平整且没有杂峰，吸光度可准确量取，适合作为PC 的特征定量吸收峰。

图1 ABS（上）、PC/ABS（中）、PC（下）红外光谱图

综上所述，1770.65cm-1处C=0 的伸缩振动为不重叠、不干扰的独立吸收谱带，峰形好，吸收较强且无杂峰，可作为PC 的特征定量吸收峰。

3.2.2 建立红外定量标准曲线模型

将PC 质量分数分别为0%，20%，40%，50%，60%，80%，100%的PC/ABS 共混物进行红外测量，每个样品选取三个不同的位置进行红外测试，取平均值，见表1。

表1 PC/ABS 共混物的吸光度与计算值

以PC 的特征定量吸收峰的吸光度为纵坐标，相对应的浓度为横坐标，用TQ Analyst 软件建立标准曲线模型，选取相关系数最高的曲线作为标准定量工作曲线。实际测量的标准定量工作曲线如图2 所示，横坐标为TQ 计算值（Calculated），纵坐标为PC 质量分数。

图2 实际测量的标准定量工作曲线图

线性拟合后的方程为Y=0.00103X+0.0229，校正线性相关系数达到0.9970，可以作为PC/ABS 共混物中PC 组分的定量曲线。

3.3 验证分析

为了验证红外光谱定量工作曲线的可靠性，选取PC的质量分数为30%和50%的实际样件，在同样的分析条件下，进行红外光谱定量分析。

PC 的质量分数为30%和50%的实际样件定量结果分别为：31.47%和46.54%，定量偏差分别为1.47%和－3.46%，均在可接受的范围5%以内。因此，运用傅立叶变换红外光谱法对PC/ABS 合金中PC 含量定量分析，不仅效率高，操作方便，而且可靠性也相对较高。在实际检测和生产中，可以运用该方法抽查PC/ABS 合金中各成分的比例是否满足标准要求。同时，对于其他类型的塑料合金，如ABS/PA、PC/PBT、PC/PET、PC/PE、PET/PMMA、PBT/ABS等，均可以借鉴该方法，拟合相应的红外定量曲线，进行合金中某种单一物质的定量分析[5]。

本例中有一些不足之处，标准样品的制备工具和过程不够规范和严谨，容易导致结果偏差。原因在于，虽然可以用天平称取样品，但是在共混的过程，温度控制精度和搅拌速率都有可能影响试验结果。共混过程中还需要加入增溶剂，以促进两者充分融合，本次试验由于种种原因未加入增溶剂，也有可能对结果造成影响。

解决方案：前面已经提到，标样的制备对结果其决定性作用，如具备专业的制样工具（双螺杆挤出机、粉末热压机等），实验结果的准确性和可靠性更能得到保障。

4 结论

标准样品的制备对检测结果有直接的影响。如果PC和ABS 在混合时不能保证均匀，那么结果可靠性较难保证。目前市场上基本没有该类型的标准样品，所以制定严谨的制样方法和流程尤为重要。

在同样的测试条件下，纯PC 样品和纯ABS 样品，热失重温度区间虽然未完全分开，但有完全分开的趋势。本文实验结果显示，在升温速率分别为5K/min，10K/min，20K/min，40K/min 的试验条件下，PC/ABS 混合物中PC 和ABS 的分解温度区间并未拉开，因此不能进行定量分析。后续可再进行深入研究，探索合适的试验条件。

聚碳酸酯（PC）结构中羰基（C=0）的红外吸收峰不受其他红外吸收峰的干扰，可作为定量峰。以该吸收峰作为定量峰绘制的标准定量曲线，拟合后线性相关系数达到0.9970，且通过实际样品验证得知，定量偏差在5%以内，因此可在平时的检测和抽查中运用傅立叶变换红外光谱法测定PC/ABS 合金中PC 含量。另外，通过对PC/ABS 合金的案例分析，也引发了我们对其他合金塑料如尼龙合金中不同组分的测试方法的探究。