塑料材料分析与检测技术 - 许乾慰课件

塑料材料分析与检测技术

与新产品开发2011.6.212/17/202211塑料主要成分简介2塑料成分和结构分析的重要性3塑料成分和结构分析的常用方法4未知塑料材料的剖析方法报告提纲12/17/20222同济大学材料学院-许乾慰[1]王培铭、许乾慰.材料研究方法.科学出版社，2005年.主要参考书12/17/20223同济大学材料学院-许乾慰1塑料主要成分简介成分/结构材料科学与工程四要素模型性质效能合成/制备12/17/20225同济大学材料学院-许乾慰性能合成与工艺制备使用效能组成与结构材料科学四要素关系示意图1塑料主要成分简介12/17/20226同济大学材料学院-许乾慰1塑料主要成分简介

结构部分的研究内容：

近程结构高分子链结构

远程结构高分子聚集态结构

12/17/20227同济大学材料学院-许乾慰高聚物的结构有如下几个特点：1.高分子是由很大数目(103~105数量级)的结构单元组成的。每一结构单元相当于一个小分子，这些结构单元可以是一种（均聚物），也可以是几种（共聚物），它们以共价键相连接，形成线型分子、支化分子、网状分子等。12/17/20228同济大学材料学院-许乾慰高聚物的结构有如下几个特点：C1C2C3C4Cn12/17/202210同济大学材料学院-许乾慰高聚物的结构有如下几个特点：6.要使高聚物加工成有用的材料，往往需要在其中加入填料、各种助剂、色料等，还有共混改性。这些添加物与高聚物之间以及不同的高聚物之间是如何堆砌成整块高分子材料的，又存在着所谓织态结构问题。织态结构也是决定高分子材料性能的重要因素。12/17/202212同济大学材料学院-许乾慰偏光显微镜观察等规聚苯乙烯等规聚丙烯聚乙烯聚戊二酸丙二醇酯12/17/202214同济大学材料学院-许乾慰偏光显微镜下球晶的生长聚乙烯在125℃等温结晶12/17/202215同济大学材料学院-许乾慰（1）取向――线性高分子充分伸展时，长度与宽度相差极大（几百、几千、几万倍）。这种结构上悬殊的不对称性使它们在某些情况下很容易沿某个特定方向占优势平行排列，这种现象就称为取向。取向现象（orientation）12/17/202216同济大学材料学院-许乾慰取向现象（orientation）12/17/202217同济大学材料学院-许乾慰取向现象（orientation）12/17/202218同济大学材料学院-许乾慰2）塑料添加剂的作用配方设计的目的，就是要选择合适的助剂，改善树脂的内在性能、加工性能和降低成本。可用于配方设计的助剂有上百种，可共混的树脂也有上百种，必须依据一定的原则来进行适当的选择。12/17/202220同济大学材料学院-许乾慰表1助剂的具体选择范围目的助剂名称增韧弹性体、热塑性弹性体和刚性增韧材料增强玻璃纤维、碳纤维、晶须和有机纤维阻燃氧化类‘普通溴系和环保溴系磷类、氮类、氮／磷复合类膨胀型阻燃剂、三氧化二锑、水合金属氢抗静电抗静电剂导电碳类(炭黑、石墨、碳纤维、碳纳米管)、金属纤维和粉，金属氧化物12/17/202221同济大学材料学院-许乾慰开发新产品控制产品质量2塑料成分和结构分析的重要性12/17/202223同济大学材料学院-许乾慰开发新产品剖析并吸取高水平产品的配方经验；尽快形成适合自己原材料来源和装备、工艺的知识产权。12/17/202224同济大学材料学院-许乾慰确定工艺参数DTA与DSC法可以用来测定高聚物的结晶速度、结晶度以及结晶熔点和熔融热等。聚酯熔融后在冷却时不能迅速结晶，因此，经快速淬火处理，可以得到几乎无定型的材料。淬火冷却后的聚酯再升温时、无规则的分子构型又可变为高度规则的结晶排列，因此会出现冷结晶的放热峰。经淬火处理后的聚酯的DSC图。12/17/202226同济大学材料学院-许乾慰确定工艺参数拉伸温度必须选择在Tg以上和冷结晶开始的温度（117℃）以下的温度区间内，以免发生结晶而影响拉伸。拉伸热定型温度则一定要高于冷结晶结束的温度（152℃）使之冷结晶完全，但又不能太接近熔点，以免结晶熔融。这样就能获得性能好的薄膜。

12/17/202227同济大学材料学院-许乾慰滚压7.5min滚压15min滚压20minPVC/EVAc接枝共聚物加工过程中结构变化(EVAc相经染色呈暗色)材料形成过程研究12/17/202228同济大学材料学院-许乾慰3塑料成分和结构分析的常用方法12/17/202230同济大学材料学院-许乾慰3塑料成分和结构分析的常用方法

元素分析光谱分析电子显微分析12/17/202231同济大学材料学院-许乾慰3塑料成分和结构分析的常用方法

元素分析五元素分析、X射线能谱分析等。光谱分析电子显微分析12/17/202232同济大学材料学院-许乾慰3塑料成分和结构分析的常用方法

元素分析光谱分析电子显微分析红外光谱

紫外光谱核磁共振质谱分析12/17/202233同济大学材料学院-许乾慰材料测试研究平台结构形貌热效应成分宏观红外/紫外光谱凝胶渗透色谱仪X射线衍射仪激光粒度分析仪压汞仪比表面分析仪综合热分析多通道量热计原子力显微镜数字图像分析仪低真空扫描电镜环境扫描电镜透射电镜流变仪冻融循环仪人工气候箱声发射测定仪红外热像仪万能实验机X射线荧光光谱仪材料测试方法的综合应用12/17/202234同济大学材料学院-许乾慰材料测试研究平台宏观流变仪冻融循环仪人工气候箱声发射测定仪红外热像仪万能实验机12/17/202235同济大学材料学院-许乾慰材料测试研究平台结构形貌热效应成分综合热分析多通道量热计原子力显微镜数字图像分析仪低真空扫描电镜环境扫描电镜透射电镜X射线荧光光谱仪X射线光电子能谱仪等离子体发射光谱12/17/202236同济大学材料学院-许乾慰材料测试研究平台结构形貌热效应成分宏观红外/紫外光谱凝胶渗透色谱仪X射线衍射仪激光粒度分析仪压汞仪比表面分析仪核磁共振激光拉曼光谱仪综合热分析多通道量热计原子力显微镜数字图像分析仪低真空扫描电镜环境扫描电镜透射电镜流变仪冻融循环仪人工气候箱声发射测定仪红外热像仪万能实验机12/17/202237同济大学材料学院-许乾慰材料测试研究平台结构形貌热效应成分宏观红外光谱凝胶渗透色谱仪X射线衍射仪激光粒度分析仪压汞仪比表面分析仪核磁共振激光拉曼光谱仪综合热分析多通道量热计原子力显微镜数字图像分析仪低真空扫描电镜环境扫描电镜透射电镜流变仪冻融循环仪人工气候箱声发射测定仪红外热像仪万能实验机X射线荧光光谱仪X射线光电子能谱仪等离子体发射光谱12/17/202238同济大学材料学院-许乾慰

力学性能、收缩性能、电性能、抗菌性能、老化与降解性等等常规性能指标及其检测方法12/17/202239同济大学材料学院-许乾慰X射线衍射方法用于结晶度和取向度的分析12/17/202240同济大学材料学院-许乾慰12/17/202241同济大学材料学院-许乾慰12/17/202242同济大学材料学院-许乾慰4未知塑料材料的剖析方法12/17/202243同济大学材料学院-许乾慰材料学院仪器照片——红外光谱仪12/17/202244同济大学材料学院-许乾慰典型红外光谱谱图–标记峰为羰基12/17/202245同济大学材料学院-许乾慰材料学院仪器照片——热分析仪[1]12/17/202246同济大学材料学院-许乾慰材料学院仪器照片——热分析仪[2]12/17/202247同济大学材料学院-许乾慰材料学院仪器照片——热分析仪[3]12/17/202248同济大学材料学院-许乾慰图高分子材料的DTA和DSC模式曲线1.固-固一级转变，2.偏移的基线，3.熔融转变，4.降解或气化，5.二级转变或玻璃化转变，6.结晶，7.固化、氧化、化学反应或交联12/17/202249同济大学材料学院-许乾慰材料学院仪器照片——x射线衍射分析仪12/17/202250同济大学材料学院-许乾慰x射线衍射曲线12/17/202251同济大学材料学院-许乾慰材料学院仪器照片——x射线荧光分析仪12/17/202252同济大学材料学院-许乾慰材料学院仪器照片——塑料流变性能分析仪12/17/202253同济大学材料学院-许乾慰材料学院仪器照片——Hakke流变仪12/17/202254同济大学材料学院-许乾慰材料学院仪器照片——激光粒度分析仪12/17/202255同济大学材料学院-许乾慰12/17/202256同济大学材料学院-许乾慰精品课程网站：1.《高分子化学》和《高分子物理》2.《材料研究方法》12/17/202257同济大学材料学院-许乾慰材料剖析；预处理；分离；纯化；元素分析；光谱分析；热分析高分子材料关键词12/17/202258同济大学材料学院-许乾慰对未知样品进行综合分析时，通常包括2个重要过程：一是将样品中的各组分逐一分开的分离过程二是对分离开的各组分进行结构与成分分析。因此又把未知样品的综合分析简称为“剖析”。4.1材料剖析概念12/17/202259同济大学材料学院-许乾慰

常见塑料制品主要是由一种或多种树脂、各种增塑剂、抗氧剂、稳定剂、增强剂、着色剂等小分子助剂和一些无机添加剂组成。

剖析对象的复杂性分析方法的综合性4.2塑料剖析的特点12/17/202260同济大学材料学院-许乾慰样品中各组分的分离、纯化及纯组分的制备；对分离出来的各纯组分进行结构分析与成分含量分析；对推测的结构进行合成、加工及应用性能验证阶段。

4.3塑料剖析的主要步骤12/17/202261同济大学材料学院-许乾慰从剖析样品中首先得到的信息是用途及应用特性，由此可以得到高分子基体材料的类型、结构及主要添加剂的种类等重要信息，从而可缩小研究追踪的范围，简化剖析工作程序。1）对样品来源、用途等商品信息的了解12/17/202262同济大学材料学院-许乾慰外观审察溶解性检验燃烧性实验2）对样品一般性质的考察12/17/202263同济大学材料学院-许乾慰3）样品的预处理高分子与小分子化合物分开有机物与无机物分开线形聚合物与交联体形聚合物分开。12/17/202264同济大学材料学院-许乾慰4）塑料中各种组分的分离与纯化色谱分离法溶解—沉降、蒸馏、萃取等预处理12/17/202265同济大学材料学院-许乾慰5）纯度鉴定物理常数测定元素分析色谱法有机光谱分析鉴定

12/17/202266同济大学材料学院-许乾慰6）塑料中树脂种类的鉴定结构分析“四大谱”紫外、红外、核磁共振和质谱等方法12/17/202267同济大学材料学院-许乾慰紫外

图6-4苯和甲苯的紫外光谱（在环己烷中）（实线为苯，虚线为甲苯）12/17/202268同济大学材料学院-许乾慰

PS红外谱图12/17/202269同济大学材料学院-许乾慰

PE红外谱图12/17/202270同济大学材料学院-许乾慰

PP红外谱图12/17/202271同济大学材料学院-许乾慰异丙苯的核磁共振谱图12/17/202272同济大学材料学院-许乾慰图8-1聚甲基丙烯酸乙酯的热裂解质谱图12/17/202273同济大学材料学院-许乾慰高分子材料的合成与塑料加工助剂剖析的特点是品种多、含量小、分离困难，而且某些助剂在材料的制造和储存过程中可能已发生了变化，如抗氧剂、交联剂等，剖析中得到的是它们变化后的产物。因此，在塑料助剂剖析中，分离得到纯品是剖析的首要环节。7）塑料中助剂的分离与鉴定12/17/202274同济大学材料学院-许乾慰1）热分析的应用在高聚物鉴定中，热分析技术无疑是一种快速简便的方法，它主要通过对各种组分的熔点测定，确定出未知组分的种类归属。

4.4塑料分析的主要方法及其应用举例12/17/202275同济大学材料学院-许乾慰图2PE/PP合金的DTA谱图纯PE70PE:30PP30PE:70PP70PE:90PP

纯PP12/17/202276同济大学材料学院-许乾慰2）红外光谱法的应用图3LDPE（A）和HDPE（B）的FTIR谱图12/17/202277同济大学材料学院-许乾慰图4等规PP(A)、间规PP(B)的FTIR谱图2）红外光谱法的应用12/17/202278同济大学材料学院-许乾慰3）核磁共振波谱在高聚物结构分析中的应用图5苯乙烯—甲基丙烯酸甲酯无规共聚物的氢谱1