ATR紅外光譜在汽車塑料零件材質分析中的應用

董文生

（一汽-大眾汽車有限公司，長春 130011）

1 前言

隨著現代汽車工業的進步，非金屬材料因其具備一系列優異的性能在汽車材料中所占比重逐步提高。采用塑料、橡膠、油漆、粘接劑、織物、皮革等非金屬材料所制造的零件廣布于汽車的內外飾、動力總成、底盤、電子電氣等領域。

然而，由于各種不同的原因，汽車零件會出現各種質量問題，對汽車零件出現的各種質量問題進行快速準確分析、找到問題的根本原因并采取合理的改進措施，對整個汽車產業鏈而言均是極具重要和充滿挑戰的工作。

對于非金屬零件分析而言，紅外光譜分析作為近代有機化合物最成熟有效的分析方法之一，成為汽車非金屬材料分析中的重要手段，廣泛應用于如材料種類鑒別，未知異物及污染物的鑒定，以及材料老化的判別評估等工作。

2 ATR紅外光譜介紹

2.1 紅外光譜

紅外光作為電磁波的一種，按波長分為遠紅外、中紅外和近紅外三個區。中紅外區(4000～400 cm-1)為紅外光譜儀的常用范圍。

當頻率連續變化的紅外光照射在待檢材料樣品上時,樣品材料分子會選擇性吸收特定頻率的紅外光，使材料分子的振動以及轉動能級從基態向激發態躍遷，通過檢測裝置可記錄該材料分子對不同頻率紅外光的吸收情況，并經過軟件處理可繪制出待測材料的紅外光譜。

因不同物質具有不同的分子結構,所以產生的紅外吸收光譜也不同，根據各種物質的紅外特征吸收峰的位置、強度和形狀等參數,可推斷出試樣中存在的基團,進而確定其分子結構和材料種類。另外依據物質濃度與特征吸收峰的強度成正比關系,可進行紅外光譜的定量分析。

任何氣態、液態、固態樣品均可進行紅外光譜測定。

紅外光譜技術已廣泛應用于高分子材料，各種有機物，以及一些無機物的分析[1-3]。

2.2 衰減全反射紅外光譜

傳統的紅外光譜采用透射法,其制樣方法如熱壓膜法難度大，過程繁瑣，耗時費力。而衰減全反射(Attenuated Total Reflection，ATR)紅外光譜是通過樣品表面的反射信號獲得樣品表層成份的結構信息。其樣品的制作簡單快捷,同時對樣品要求的量較少，只要將樣品置于反射晶體上并充分接觸，便可采集紅外光譜，因而極大地擴大了紅外光譜法的應用范圍，廣泛應用于各種物質的成份分析。

但是相比之下，透射法所獲取的譜圖信息更為豐富，因此在特定情況下，仍必須采用透射法進行分析。但在絕大多數情況下，ATR紅外光譜完全可以滿足汽車領域非金屬材料的檢測與分析的需要。

3 分析案例

3.1 案例背景

某車型的一種進口塑料件表面存在黑色物質，類似于零件局部表面受到了黑色異物的污染，但是用酒精，異丙醇等溶劑均無法將黑色物質擦掉。問題零件見圖1,其中右側為問題件，箭頭所示的局部區域存在黑色物質；左側為正常零件。

3.2 顯微分析

采用顯微鏡對問題件黑色物質區域進行觀察發現，黑色物質并不在零件的最外表面，而是處于灰白色塑料的下層，即黑色物質實際上被灰白色塑料所覆蓋，因灰白色塑料層較薄呈半透明而可以看到其下面的黑色物質。見圖2。

3.3 紅外分析

首先采用鋒利的刀片切取問題件正?；野咨珔^域進行ATR紅外光譜分析，所得到的紅外圖譜見圖3。

所得到的紅外譜圖較為復雜，分析過程如下。

譜圖上在波數699 cm-1、760 cm-1同時存在吸收峰，通常為苯環上氫的面外彎曲振動[4],波數1 602 cm-1的吸收峰通常為苯環的骨架振動[4],波數3 028 cm-1和3 066 cm-1的2個吸收峰通常為苯環上C-H伸縮振動所引起，結合以上吸收峰可確認材料分子中含有單取代苯環結構；波數911 cm-1和966 cm-1的二個吸收峰比較明顯[4],表明材料分子中存在丁二烯結構；而波數2 240 cm-1的吸收峰表明材料分子中存在腈基；根據以上所有吸收峰判斷，零件材料中含有ABS塑料成分。

在波數1 771 cm-1的吸收峰通常為芳香酯羰基C=O的伸縮振動;波數1 221 cm-1、1 190 cm-1、1 161 cm-1三個連續的強吸收峰通常為C-O的伸縮振動所引起；波數1 505 cm-1、1 085 cm-1、1 014 cm-1和831 cm-1處的吸收峰表明材料分子中存在對位取代苯環;基于以上所有吸收峰判斷,零件材料中含有雙酚A型PC塑料成分。

綜合以上所獲取的紅外譜圖信息，可判斷零件正常區域所用的材料為ABS與PC的共混改性塑料。

用鋒利的刀片切取問題件黑色區域進行ATR紅外光譜分析，所得到的紅外圖譜見圖4。

該譜圖的分析過程如下。

圖4的紅外譜圖中，在波數3 296 cm-1存在明顯的吸收峰,該峰通常由酰胺基的N-H的伸縮振動引起；另外在波數1 631 cm-1、1 538 cm-1、1 276 cm-1存在明顯吸收峰，與酰胺吸收帶I,II,III相對應；以上信息表明該材料中含有聚酰胺成分[5],另外根據在935 cm-1存在明顯吸收峰可判斷該聚酰胺的種類為PA66。

另外，在波數1 771cm-1、1 223 cm-1、1 197 cm-1、1 162 cm-1、1 080 cm-1、1 015 cm-1、834 cm-1均能看到吸收峰，表明黑色區域仍含有一定的PC成分;同時，在波數700 cm-1、760 cm-1、965 cm-1也可看到吸收峰，表明黑色區域仍含有一定的ABS成分。但以上吸收峰與圖3的紅外譜圖相比，峰高明顯變小，同時基本觀察不到波數1 601cm-1，1 505 cm-1和2 237 cm-1等吸收峰。以上情況表明黑色區域的絕大部分材料為PA66，但仍混有少量的PC和ABS。

3.4 分析結論

根據ATR紅外光譜分析結果可以判斷,零件的正常區域所用的材料為PC與ABS的共混物,黑色區域則是混入的黑色PA66；同時結合顯微鏡觀察結果，黑色的聚酰胺66(PA66)并未處于零件表面的最外層，而是被一層聚碳酸酯(PC)與丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物(ABS)共混物所覆蓋。由于此零件表面并非沾染了小分子物質，因而用普通有機溶劑無法擦除。

該問題可能由于供應商在之前所生產的零件采用了PA66材料，而在切換生產采用PC與ABS的共混物的零件前沒有將注塑機料筒清理干凈，因而導致在注塑時少量殘留的黑色PA66混入到灰白色PC與ABS的共混物中，從而造成零件表面存在黑色區域，并被誤認為沾染的外來異物。

4 結束語

通過以上案例可以看出,采用ATR紅外光譜分析技術,在汽車非金屬零件的問題分析中，特別是材料鑒定中，因其方便快捷、功能強大,可以有助于快速分析出非金屬件產生問題的原因。

同時在未知材料的紅外鑒定時，往往需要進行人工解譜,而不能過度依賴紅外光譜儀所配的軟件給出的匹配結果。另外，僅依靠標準譜庫也是不夠的，分析人員應對所涉及的非金屬零件及材料建立相應紅外譜庫，紅外譜庫對于后期的質量控制及問題分析有很大的幫助。