红外光谱仪在涂料、石醋等材料上的分析应用
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红外光谱仪在涂料、石醋等材料上的分析应用


摘要:文章利用傅里叶变换红外光谱仪技术对汽轮机组中低压缸用涂料、高温合金研制用石蜡和陶瓷等材料进行了分析, 结果表明红外光谱在对涂料老化试验性能评价、不同厂家石蜡原材料纯度与成分分析判定、陶瓷成分定性分析等方面都具 有很好的实际应用能力。红外光谱法具有方法简单、分析速度快、灵敏度高、重现性好、结果可靠等特点,有望在更多材 料分析检测上得到更广泛的应用。
 引言
涂料在汽轮机各部件,如中低压缸.、轴承、 罩壳和机.挺萼上均具有r泛的应用,餘装除了具有美观装饰的作用外,更重要的是保护设备免受 酸碱、潮湿:等恶劣环境的腐蚀。不同机型、不同 部位使用的涂料种类不尽相同且对其各项物理、 化学参数有着严格的限制,以保障机组,的长时间 安全运行,。因此,涂料在使用之前必须®过一系列性能测定,如储存稳定性、耐热性、耐腐蚀性 及抗老化性能等,以保证满足各汽轮机部件对相 应涂料所需求的各项指标规范要求。然而,现阶 段的涂料性能评价主要是通过外观法观察其开裂、 锈蚀、剥落程度等或者通过物理方法测定相关物 理参数来对其进行评价,鲜有利用化学方法分析 成分变化进行评价的标准或报道。从化学成分改 变来判断涂料性能实验前后的变化不仅能从机制 上对老化过程及其失效机理进行分析,并且能够 为涂料的深层剖析与产品改进提供指导意义。石 蜡和陶瓷蜡料等非金属材料作为辅料也大量应用 于汽轮机用高温合金生产、研制过程中,其韧性、 强度等参数对高温合金生产过程具有重大的影响。 因此,涉及到对这些材料的进厂验收与成分检测 以及对不同厂家、不同批次的原材料的跟踪评价 测定,寻找一个对其快速准确的化学检测方法对 生产、科研进度具有重要的促进指导作用。
涂料主要由成膜物质、助剂、颜料和溶剂组 成,属于有机化工高分子材料;石蜡主要成分为 烷烃;陶瓷蜡料为无机氧化物(主要为二氧化硅) 与蜡的混合物。对这些物质的剖析、检测常用的 方法有红外光谱法、气相/液相色谱法、质谱法、 色谱-质谱联用法、核磁共振法等W。大多数方法对 样品有着特殊严格的要求,比如:色谱法样品必 须经过溶解、微滤膜过滤;气相色谱法必须保证 物质的沸点低于色谱柱最高温度;液相色谱不仅 分析时间长而且一般配备的紫外检测器对饱和烷 烃没有响应;质谱法需要得到纯净的样品或与色 谱法联用;核磁共振分析成本高而且对样品纯度 要求非常高。而红外光谱法制样简单、分析速度 快、灵敏度高、重复性好,满足企业分析检测经 济快速的要求,更重要的是红外光谱属于分子振 动光谱,分析范围广,对绝大多数有机物、无机 氧化物都具有快速的响应,特别是在判断有机化 合物种类与结构上具有明显的优势'
本文利用红外光谱法对汽轮机产品相关非金 属材料,包括涂料、石蜡、陶瓷等材料进行了初 步研究,结果表明红外光谱能够很好地快速实现 对这些材料的成分分析鉴定以及老化试验评价, 该方法有望在实际生产中得到进一步的拓展应用。
1实验部分
1.1仪器条件
仪器:红外光谱仪。 扫描:双光束扫描16次。
扫描区间:4000~400 cm-1
1.2样品器材
两种部分紫外老化未知涂料板,两种不同厂 家石蜡,未知陶瓷蜡料,优级纯KBr,酒精,酒精 棉,红外干燥灯,压片机。
1.3实验步骤
采用KBr压片法制备样品:称取少量干燥KBr 和待测样品,KBr与样品的量控制在(50~100):1之 间。在干燥洁净的研钵中充分研磨,利用压片机 将样品研制成1 mm左右的透明状薄片。同样条件 下用纯KBr压制试样作为空白试样。开启红外光谱 仪,预热10分钟左右方可开始测定。波数范围设 置为4000~400 cm-1,扫描16次。测试前,薄片在 干燥灯下进行干燥处理,先用纯KBr片测定背景通 道,然后测定待测样品,结果以EXCEL形式导出, 利用Origin数据处理软件处理。
2实验结果分析
2.1涂料老化分析
抗紫外老化能力是涂料常规检测项目之一, 涂料中的有机成分在紫外光长期照射下会发生键 的断裂,进而可能出现变色、水蒸气渗透锈蚀底 板、涂层开裂、剥落等现象,通常可以通过光洁 度测定、肉眼观察等方式对老化结果进行评价。 但是,观察法本身的局限性使得结果受主观因素 影响较大,不能定量给出结果判定,并且观察法 不能从本质上对结果做出解释,而且当表面变化 不太明显时难以做出正确的判断,不适用于在线 连续监测。
现有两种不同种类的拟用于汽轮机组中低压 缸的未知涂料(涂料1和涂料2),经过涂覆底板
后,在紫外老化仪中连续老化360 h后外观上没有 明显变化,难以对老化情况做出判断。利用红外 光谱对该涂板进行分析,图1为其老化前后的红外 光谱图。
 
从图1 (A)中可以看到,涂料1经老化后, 2960cm-1、2924cm-1、2850cm-1 归属于甲基、亚甲 基伸缩振动的峰消失,说明发生了饱和烷烃的断 裂,这可以通过其在1450cm-1与1380cm-1处甲基弯 曲振动特征峰的消失得到进一步证明。从老化前 的红外光谱图可以看到,在3440cm-1出现一强宽 峰,属于仲胺(-NH-)或者羟基(-OH)的伸缩 振动,结合1300cm-1和940cm-1没有出现-OH的面内 和面外弯曲振动,1640cm-1出现-NH-的弯曲振动, 可判定该峰为-NH-。1730cm-1为酯羰基伸缩振动 特征峰,1230cm-1为C-O伸缩振动。据此可以判断 该涂料可能含有氨基甲酸酯基团(-NHCOO-), 涂料可能为聚氨酯[3]。从老化后的红外光谱判断, C-O键消失,-NH-、C-N峰减弱,说明同时发生 了C-N键、C-O键的部分断裂。从图1 (B)中可以 看 到 , 涂料2老化前后红外光谱没有明显变化。 3010cm-1 为=C-H的伸缩振动,2956cm-1、2986cm-1 为-C -H伸缩振动,1726cm-1为酯羰基特征峰, 1450cm-1与1380cm-1为甲基弯曲振动峰,1245cm-1 与1142cm-1分别为C-O、C-C伸缩振动峰,据此可 以推测涂料可能为丙烯酸甲酯类型。可以得出结 论,涂料2的抗紫外老化能力明显高于涂料1,涂 料1可能为聚氨酯类,涂料2可能为丙烯酸甲酯类。
2.2石蜡分析
现有从不同厂家采购的两种石蜡原料,拟用 于某高温合金的研制过程中,在使用中发现,其 中一家的石蜡的韧性和抗裂能力明显优于另一家。 为了检验其纯度并同时从材料成分上对性能差异 做出解释,对其做了红外光谱分析,结果如图2所 示。

从图2可以看出,石蜡1在3000cm-1以上以及 1500~2800cm-1之间均没有峰,说明不含不饱和键 和 X-H ( X=O, N, S, P)基团。仅在 2966cm-1、 2920cm-1、 2860cm-1附近出现强度较高的甲基、亚 甲基伸缩振动峰,1460cm-1、1380cm-1附近出现其 弯曲振动峰,说明主要为烷烃结构。720cm-1出现 的尖锐峰为长链亚甲基(CH2)的面内摇摆振动特 征峰,该峰常用于长链烷烃的定量分析。因此, 可以得出结论,石蜡1成分完全为饱和烷烃。
从石蜡2的红外光谱中可以看到,除了具有如 石蜡1的全部饱和烷烃峰外,在3500cm-1出现一中 强度宽峰,可能为-NH-或者-OH,1740cm-1出现裁基的特征峰,1100cm-1为C-O峰,因此,石蜡2 中除了饱和烷烃外还可能存在羧酸类或者氨基甲 酸酯类化合物。因此,可以得出结论,石蜡1完全 为饱和烷烃成分,石蜡2除了具有饱和烷烃外,还 含有一些不饱和化合物,含有不饱和成分可能是 石蜡2具有更好的韧性和抗裂能力的原因。
2.3陶瓷蜡料成分分析
陶瓷蜡料也是高温合金研制常用辅料之一。 现有一陶瓷蜡料,欲分析其主要化学成分,利用 红外光谱对其进行测试,图3为其红外光谱图。

从图3可以看出,在2800~3000cm-1具有饱和烷 烃的特征峰,在1100cm-1左右出现一宽峰,是由于 无机氧化物与有机成分峰重叠造成。参照文献[4] 可以判断该无机物为二氧化硅,其中1000~ 1200cm-1为Si-O-Si反对称伸缩振动峰,798cm-1、 700cm-1、 467cm-1为其对称伸缩振动峰。1460cm-1、 1384cm-1为甲基弯曲振动,720cm-1为亚甲基面内 摇摆振动特征峰。1715cm-1为羰基特征吸收峰,结 合3400 cm-1、 1571cm-1峰,可以推测可能含有酿胺
结构。因此,可以得出结论,该陶瓷蜡料为石蜡 与二氧化硅的混合物,石蜡部分含有不饱和酰胺 成分。
3结论
红外光谱作为最常用的化学成分、结构分析 手段之一,具有样品处理简单、分析速度快、灵 敏度高和重复性好等特点,特别是对化学主要官 能团的鉴定具有其他检测方式无可比拟的优势。 限于红外光谱图本身复杂的特点,往往需要通过 与其他分析测试手段,如质谱、核磁等联合,才 能够对材料的成分结构进行完全的解析。本文鉴 于汽轮机产品相关非金属材料研究使用中的实际 情况,单独利用红外光谱对涂料、石膏和陶瓷等 材料做了研究分析,该法在方便快速的同时,达 到了对涂料老化判定、石蜡成分分析和陶瓷蜡料 成分鉴定的要求,该方法有望在公司更多材料鉴 定中得到更广泛的应用扩展。