紅外光譜分析技術在涂料檢測中的應用

涂料是一種用途**的涂覆在被保護或被裝飾的物體表面的高分子材料。一般來說，涂料由三個部分組成，它們是成你  膜物質(zhì)(樹脂、乳液)、顏料(包括體質(zhì)顏料)、溶劑和添加劑(助劑)。涂料除了具有美觀裝飾的作用外，更重要的是保護設備免受酸堿、潮濕等惡劣環(huán)境的腐蝕。因此，加強涂料產(chǎn)品的質(zhì)量管理和分析顯得尤為重要。

紅外光譜儀是利用物質(zhì)對不同波長的紅外輻射的吸收特性，進行分子結(jié)構(gòu)和化學組成分析的儀器。紅外光譜儀作為一種現(xiàn)代化分析儀器，其對大部分物質(zhì)都具有高度的特征性，可以分析材料化學結(jié)構(gòu)的變化和特征官能團的存在，不受被樣品狀態(tài)的限制，測定的樣品可為固體、液體或氣體，有機、無機、高分子化合物等都可測定，具有操作簡便、分析速度快等優(yōu)點，成為涂料組成分析的**分析儀器之一。紅外光譜儀通常由光源、單色器、探測器和計算機處理信息系統(tǒng)組成。根據(jù)分光裝置的不同，分為色散型和干涉型。

紅外光譜分析的優(yōu)缺點

紅外光譜分析是目前鑒定涂料中有機化合物結(jié)構(gòu)應用***的方法之一，它具有如下優(yōu)點：

(1)不受樣品相態(tài)的限制。無論樣品是固態(tài)、液態(tài)還是氣態(tài)，是有機化合物還是無機化合物，是純物質(zhì)還是混合物，都可以采用紅外光譜分析方法進行測定。

(2)分析時間短。一般來說，包括制樣在內(nèi)，紅外光譜測試工作可在10min左右完成，再通過人工檢索譜圖，一般可在10～30min完成分析。若用計算機進行檢索，只需幾分鐘內(nèi)便可完成檢索，工作效率高。

(3)特征性好。由于不同種類的涂料使用的有機化合物不同，其紅外分子振動形式也不同，因此，每一種涂料都有其特定的紅外吸收光譜，其吸收峰的數(shù)目、頻率、形狀和強度都不盡相同。

(4)樣品用量少。對固體和液體樣品，只需幾微克至幾十毫克。對氣體試樣約需幾毫升至幾百毫升。

紅外光譜分析的局限性表現(xiàn)為：

(1)涂料中某些物質(zhì)不能產(chǎn)生紅外吸收峰，紅外光譜分析不適用。此外，紅外光譜分析無法對具有不同分子量的同一種高分子聚合物或同一化合物的旋光異構(gòu)體進行鑒別。

(2)紅外光譜進行定量分析時誤差較大，分析靈敏度低，難度也較大。

紅外光譜分析在涂料檢測中的應用

紅外光譜*重要的應用是中紅外區(qū)有機化合物的結(jié)構(gòu)鑒定。在實際工作中接觸到的各種各樣色漆、清漆、顏料、填料、涂層等的官能團分析、原料純度檢查、化學反應監(jiān)視、未知物剖析中，紅外光譜法發(fā)揮著重要的作用。目前紅外光譜分析**用于涂料原料的定性分析、質(zhì)量管控和涂層失效分析等方面。

(1)對原料進行定性分析。采用紅外光譜對涂料用原料進行定性分析很可靠，如可以采用紅外光譜對鈦白粉、碳酸鎂粉、碳酸鈣等涂料原材料進行純度鑒定。通過與標準譜圖比較，可以確定化合物的結(jié)構(gòu)；對于未知樣品，通過官能團、取代基位置、氫鍵結(jié)合、順反異構(gòu)以及絡合物的形成等結(jié)構(gòu)信息可以推測結(jié)構(gòu)。

將試樣的紅外光譜與標準的紅外光譜進行比對對照。依據(jù)光譜峰位、波數(shù)、峰形等特征一致性判定兩者化合物的相似性及純度。

圖2為環(huán)氧涂料原料與標準曲線紅外光譜對比圖，經(jīng)過譜圖匹配顯示，試樣的紅外譜圖與標準紅外譜圖在峰位、波數(shù)、峰形的特征三要素上均有較高的一致性，可判斷兩者主要成分相同，并具有接近的純度，同時軟件給出兩者譜圖匹配值達到94.06%，譜圖重合度高。

(2)對涂料質(zhì)量進行管控。開發(fā)新產(chǎn)品時，可通過分析官能團的變化，來指導合成條件和工藝配方，為選擇確定*佳工藝路線、*佳配方提供依據(jù)，如可用紅外光譜法跟蹤分析環(huán)氧樹脂、聚氨酯等涂料的固化機理，由OH—基團的變化可推斷出環(huán)氧樹脂的固化條件和固化時間，由OH—和NCO—基團的變化來判斷聚氨酯涂料的固化條件和固化時間。圖3中展示了聚氨酯涂料在固化前后的紅外光譜圖。其中比較明顯的是涂料固化后在2360cm^-1處的吸收峰都消失，該峰表示N=C=O伸縮振動峰，異氰酸酯基化合物都參與反應，形成新的化合物。位于3447cm^-1處的吸收峰表示-OH的伸縮振動，其峰值也在固化后有一定程度的減弱，也能證明涂料在發(fā)生固化反應。

(3)對涂層失效進行分析。涂層失效的重要原因之一是涂料施工前底材被污染。*常遇到的污染物是潤滑油和礦物油，它們是引起涂層附著力降低的主要原因。通常有兩種方法對潤滑油和礦物油進行測定。如果涂層屬于熱固性涂層，而且涂層樣品尺寸在2cm以上，可用注射器吸取2mL左右的己烷洗滌涂層的背面。然后將萃取液制備成涂片，利用紅外光譜進行分析，即可得到高質(zhì)量的紅外光譜圖。另一種方法是采用衰減全反射分析，該方法不僅適用于熱固性涂層，也適用于熱塑性涂層。

圖4是水性丙烯酸聚氨酯面漆體系在3種老化試驗中的紅外吸收光譜圖，1727cm^-1和1165cm^-1處酯C==O峰和肪族醚—O—明顯減弱，在2955cm^-1處吸收峰明顯減弱，表示CH₂基團在老化中消失。

聚氨酯涂層老化主要是氨基甲酸酯的斷裂，有兩種斷裂形式：一種是C—N鍵斷裂，生成氨基自由基和烷基自由基，并釋放出CO₂；另一種是C==O鍵斷裂生成氨基甲酰自由基和烷氧基自由基，而氨基甲酰自由基分解成氨基自由基和CO₂。從上述峰位變化可見，該涂層體系中C==O峰位有不同程度的減弱，說明這兩種涂層老化是C==O分解，老化機理以第2種為主。

(4)目前紅外光譜技術的發(fā)展已使紅外光譜的意義遠遠超越了對樣品進行簡單的常規(guī)測試并從而推斷化合物的組成的階段。紅外光譜儀與其他多種測試手段聯(lián)用衍生出許多新的分子光譜領域，例如，紅外光譜儀與色譜技術聯(lián)合為深化認識復雜的混合物體系中各種組份的化學結(jié)構(gòu)創(chuàng)造了機會；把紅外光譜儀與顯微鏡方法結(jié)合起來，形成紅外成像技術，用于研究非均相體系的形態(tài)結(jié)構(gòu)，由于紅外光譜能利用其特征譜帶有效地區(qū)分不同化合物，這使得該方法具有其他方法難以匹敵的化學反差。使用紅外光譜儀對材料進行定性分析，**應用于各大、專院校，科研院所及廠礦企業(yè)。