中紅外光譜鑒別高分子材料

合成高分子材料廣泛地應用于食品、汽車和包裝材料等行業，其制造過程中需要對原材料進行識別驗證和質量測試，以保證產品的品質。本文介紹了中紅外光譜在鑒別高分子材料方面的應用。

當前，合成高分子材料廣泛地應用于食品、汽車和包裝材料等行業。塑料產品的質量取決于制造過程中使用的高分子或高分子混合物材料的質量，為確保所使用原材料的品質，在制造過程對原材料進行識別驗證和質量測試十分必要。

紅外光譜（IR）是一種可靠快速且成本低廉的分析方法，非常適用于高分子原材料和終產品的定性分析、高分子混合物的成分定量分析以及中間產品分析。

中紅外光譜

紅外光譜產生于物質對激發其分子振動的光的吸收。光譜中吸收峰的位置表明了分子中是否存在某些特定官能團，而光譜整體則構成了可以用于鑒別樣品的“指紋”。光譜圖之間的差異說明對應的兩個樣品由不同的成分組成。圖1為使用珀金埃爾默的 Spectrum Two FT-IR光譜儀和UATR采樣附件測得聚乙烯（PE）、聚丙烯（PP）、聚苯乙烯（PS）和聚四氟乙烯（PTFE）幾種常見高分子的紅外光譜，通過觀察光譜間的顯著差異即可鑒別出不同的材料。進一步的光譜解析可以提供豐富的結構信息：例如，觀察2950 cm-1附近的C-H伸縮振動區域，PE和PP的差異源自其中甲基和亞甲基比例的不同；PS在3000 cm-1以上區域有吸收峰，表明芳香基團的存在；PTFE中完全不含C-H基團，因而此處弱峰的出現是雜質或表面污染所致。

采樣方法

選取適當的采樣方法和樣品預處理措施對于獲得優質的測試結果非常關鍵。方法是否合適取決于要分析的樣品的類型、形態和數量。由于高分子樣品可能具有不同的形態（見表1），透射測試要求光程較短，因此可將樣品壓成薄膜，或者通過溶劑澆鑄獲得可溶性樣品的薄膜。

衰減全反射（ATR）是目前高分子光譜測試中最為常用的采樣方法，該測試方法中，樣品被按壓在金剛石、硒化鋅或鍺晶體上以測量其對于紅外光的吸收，幾乎不需要樣品預處理，就能得到可靠的高質量光譜曲線。此外，漫反射方法（DRIFT）也一直被廣泛用于高分子測試中，尤其適用于因尺寸太大而無法進行ATR測試的樣品以及需要摩擦取樣的樣品。下面以聚苯乙烯為例，來說明幾種采樣技術的應用。

ATR

將樣品直接放置于光譜儀附件UATR頂板上，測試過程在30 s內完成，所得光譜如圖2所示。

ATR附件短光程的特點使其易獲得優質的光譜，但需要注意的是，ATR是一種表面分析技術，如果樣品表面不能代表其整體（如增塑劑的遷移），則需要測試前對樣品進行預處理。此外，若樣品材質很硬且表面不平，則可能無法直接與晶體充分接觸。

樣品前處理通常采取如下措施：

如果樣品較軟，則用鋒利的刀片或解剖刀切割，以獲得表面平坦的新片狀樣本，然后將其按壓在ATR晶體上；

對于較硬或者顆粒物等球形且難以切割的樣品，用干凈的平頭鉗子將樣品壓平；

其他情況下，樣品可以直接進行測試。

ATR光譜與透射光譜有一定的差異，最顯著的區別是有效光程隨波長變化導致的高波數區域吸收峰相對強度弱于透射光譜。這種差異可能會影響到譜庫的檢索，因此，推薦使用ATR譜庫，或在檢索之前進行ATR校正。

鑄膜

聚苯乙烯可溶于二甲苯，因此可以根據下述步驟制備樣品薄膜： 將2 g樣品溶于10 ml二甲苯；在加熱到40℃的平板上放一張紙巾，然后將可以透過紅外光的晶體（如KBr）窗片放在紙巾上；在晶體窗片上加上2~3滴樣品溶液；使溶劑揮發，得到樣品薄膜。

將上述方法獲得的樣品薄膜放置于紅外光路中，測試其紅外光譜（如圖3所示）。鑄膜法操作簡單、成本低廉且能獲得優質光譜，但該方法只適用于可溶的高分子，而且耗時較長。

DRIFT（漫反射方法）

將上述聚苯乙烯樣品使用DRIFT附件和摩擦棒進行測試，光譜背景采集的是干凈的摩擦棒。用摩擦棒對樣品進行打磨，樣品會附著其上，將摩擦棒放置于DRIFT附件中測試，測得的光譜如圖4所示。

使用摩擦棒的DRIFT方法為大樣品測試提供了便捷的采樣方法，但是樣品的用量對最終光譜影響較大，對技能水平的要求比ATR采樣方法更高。

工業樣品的鑒別

某汽車配件生產商提供的三個樣品：一個車前燈塑料罩和兩個黑色的內飾碎片。使用紅外分析鑒別這些材料的類型和成分，用前文所述的UATR附件獲得樣品的光譜，分析前需將車前燈罩上的涂層移除，使用Spectrum 10的搜索功能將樣品光譜與包含在高分子QA/QC FT-IR對照包內的PerkinElmer ATR高分子譜庫進行檢索（見圖5），結果表明該樣品是聚碳酸酯。

黑色裝飾材料的光譜也用UATR附件進行測試，通常情況黑色材料需要比金剛石ATR更短的光程，用鍺晶體更加合適，而本實驗中使用金剛石晶體即可獲得滿意的光譜（見圖6）。

使用Spectrum軟件的搜索功能和ATR高分子譜庫，檢索出樣品1為尼龍，樣品2為聚碳酸酯。

小結

FT-IR光譜是強大的高分子材料分析工具，不僅快速可靠且成本低廉，還有一系列適用于不同類型的樣品和時間需求的采樣方法。配備UATR采樣附件的Spectrum Two FT-IR光譜儀和高分子QA/QC FT-IR資源包是實時分析和鑒別高分子樣品的理想系統。使用ATR采樣技術，即可在數秒鐘內獲得樣品的優質光譜，通過附帶的譜庫檢索即能迅速完成對材料的鑒別。