差示掃描量熱分析在高分子材料成分鑒別中的應用
發布時間：2022-01-27作者：小編來源：點擊： 次
高分子材料的成分鑒別通常采用紅外光譜法定性分析, 紅外線所具有的量子化能量可以激發分子的振動和轉動能級, 在有機物分子中, 組成化學鍵或官能團的原子處于不斷振動的狀態, 其振動頻率與紅外光的頻率相當。所以, 用紅外光照射有機物分子時, 分子中的化學鍵或官能團可發生振動吸收, 不同的化學鍵或官能團吸收頻率不同, 在紅外光譜上將處于不同位置, 從而可獲得分子中含有何種化學鍵或官能團的信息[1]。紅外光譜法對于高分子材料成分的定性鑒別具有非常重要的作用, 但是在同系物及同類別的材料鑒別中有一定的局限性, 此時可以借助聚合物的一些物理常數例如玻璃化轉變溫度、熔融溫度、結晶溫度等進行進一步的分析。玻璃化轉變溫度、熔融溫度、結晶溫度等通常采用差示掃描量熱法 (DSC) 進行分析, 利用DSC測定高分子材料的玻璃化轉變溫度、熔融溫度或結晶溫度, 可以鑒別不同種類的高分子材料, 判斷高分子材料之間的相容性和相分離。高分子材料的聚合單體不同, 其分子結構、官能團種類、分子間作用力及分子量大小也會不同, 就會導致高分子材料的熔融溫度、吸放熱熱量不同, 其DSC曲線就會有明顯的差異, 因此可以利用DSC區分不同種類的高分子材料。
差示掃描量熱法是通過測量材料在加熱或冷卻過程中的吸熱或放熱效應來研究材料內部發生的物理或化學變化的一種試驗技術, 具有檢測速度快、精度高、適用范圍廣和試樣用量小等優點[2], 在高分子材料成分鑒別中起到了非常重要的作用。本文通過幾個典型案例的分析, 詳細闡述了差示掃描量熱分析在高分子材料成分鑒別中的應用。
1 案例分析
案例1:兩種導光板, 其中一種導光板使用幾個月后出現發黃現象, 另一種導光板沒有出現發黃現象。用紅外光譜法分析兩種導光板的成分差異, 結果如圖1所示, 發現良品導光板和發黃導光板的紅外光譜圖吻合的非常好, 看不出明顯的差異, 從其特征峰可判斷這兩種導光板材質為聚碳酸酯[3], 但DSC測試結果表明兩者的玻璃化轉變溫度 (Tg) 相差8℃左右, 結果如圖2和圖3所示。聚碳酸酯按醇結構的不同, 可將其分成脂族、芳族、脂-芳三大類[4], 脂肪族聚碳酸酯耐熱性、機械性能都較低, 由DSC結果知, Tg為140.9℃的導光板是含有脂肪族的聚碳酸酯, Tg為148.7℃的導光板為含有芳族結構的聚碳酸酯, 從而可以鑒別出兩種導光板的差異, 進而分析出失效導光板發黃的原因。
圖2 發黃導光板的DSC升溫曲線圖
圖3 良品導光板的DSC升溫曲線圖
案例2:兩批次防靜電包裝袋, 其中一批次防靜電包裝袋在使用過程中出現發粘現象, 而另一批次防靜電包裝袋未出現發粘現象, 從紅外譜圖 (如圖4所示) 上得出發粘靜電包裝袋與良品靜電包裝袋的紅外光譜圖完全一致, 看不出明顯差異, 從其特征峰可判斷這兩種靜電包裝袋的材質均為聚乙烯, 對這兩種靜電包裝袋進行DSC分析, 從DSC曲線 (如圖5和圖6所示) 上可以看到, 發粘靜電包裝袋和良品靜電包裝袋都有兩個熔融峰, 所不同的是兩個熔融峰的相對強度不同, 從熔融溫度可推斷這兩種靜電包裝袋的主成份為兩種不同密度的聚乙烯混合物, 對于聚乙烯, 密度高其熔融溫度也隨之增高, 耐熱性也增加[4], 從放熱峰的相對強度知, 相對于良品靜電包裝袋, 發粘靜電包裝袋的低密度的聚乙烯成分較多, 所以其耐熱性較低, 使用過程中就容易發粘。
圖4 發粘靜電包裝袋和良品靜電包裝袋的紅外光譜對比圖
圖5 發粘靜電包裝袋的DSC升溫曲線圖
圖6 良品靜電包裝袋的DSC升溫曲線圖
案例3:鑒定標簽的材質是否為PEN, 從紅外譜圖 (如圖7所示) 上看PET、PEN和PBT的紅外光譜圖非常相似, 難以區分其標簽的材質是否為PEN, 據文獻資料, PBT的熔點是220℃左右, 而PET和PEN的熔點是260℃左右, PET的結晶溫度210℃左右, 而PEN的結晶溫度190℃左右[5], 從熔點可以輕易將PBT區分出來, 但PET和PEN從熔點上不能區分出來, 但從結晶溫度可以輕易將二者區分, 因此借助DSC從三者的物理特性熔融溫度和結晶溫度可以輕易鑒定標簽的材質是否為PEN。圖8所示為PBT的DSC升溫曲線圖, 圖9所示為PET的DSC升溫曲線圖, 圖10所示為PEN的DSC升溫曲線圖。
圖7 PET、PEN和PBT的紅外光譜對比圖
圖8 PBT的DSC升溫曲線圖
圖9 PET的DSC升溫曲線圖
圖1 0 PEN的DSC升溫曲線圖
2 結論
差示掃描量熱法是通過測試相變過程所引起的熱流變化, 來研究高分子材料的物理和化學變化的一種測試手段, 但材料結構不能直接得到, 而紅外光譜能夠提供高分子材料的立體結構、構象、序態、取向等信息, 二者的結合能夠很好的對高分子材料進行成分鑒別。尤其是目前DSC技術得到了大大的改進, 如DSC與其它分析技術的聯用等極大地擴展了DSC的應用領域, 為高分子材料新產品開發提供了良好的技術支持。
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