红外光谱分析技术在涂料检测中的应用

涂料是一种用途**的涂覆在被保护或被装饰的物体表面的高分子材料。一般来说，涂料由三个部分组成，它们是成你  膜物质(树脂、乳液)、颜料(包括体质颜料)、溶剂和添加剂(助剂)。涂料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。因此，加强涂料产品的质量管理和分析显得尤为重要。

红外光谱仪是利用物质对不同波长的红外辐射的吸收特性，进行分子结构和化学组成分析的仪器。红外光谱仪作为一种现代化分析仪器，其对大部分物质都具有高度的特征性，可以分析材料化学结构的变化和特征官能团的存在，不受被样品状态的限制，测定的样品可为固体、液体或气体，有机、无机、高分子化合物等都可测定，具有操作简便、分析速度快等优点，成为涂料组成分析的**分析仪器之一。红外光谱仪通常由光源、单色器、探测器和计算机处理信息系统组成。根据分光装置的不同，分为色散型和干涉型。

红外光谱分析的优缺点

红外光谱分析是目前鉴定涂料中有机化合物结构应用***的方法之一，它具有如下优点：

(1)不受样品相态的限制。无论样品是固态、液态还是气态，是有机化合物还是无机化合物，是纯物质还是混合物，都可以采用红外光谱分析方法进行测定。

(2)分析时间短。一般来说，包括制样在内，红外光谱测试工作可在10min左右完成，再通过人工检索谱图，一般可在10～30min完成分析。若用计算机进行检索，只需几分钟内便可完成检索，工作效率高。

(3)特征性好。由于不同种类的涂料使用的有机化合物不同，其红外分子振动形式也不同，因此，每一种涂料都有其特定的红外吸收光谱，其吸收峰的数目、频率、形状和强度都不尽相同。

(4)样品用量少。对固体和液体样品，只需几微克至几十毫克。对气体试样约需几毫升至几百毫升。

红外光谱分析的局限性表现为：

(1)涂料中某些物质不能产生红外吸收峰，红外光谱分析不适用。此外，红外光谱分析无法对具有不同分子量的同一种高分子聚合物或同一化合物的旋光异构体进行鉴别。

(2)红外光谱进行定量分析时误差较大，分析灵敏度低，难度也较大。

红外光谱分析在涂料检测中的应用

红外光谱*重要的应用是中红外区有机化合物的结构鉴定。在实际工作中接触到的各种各样色漆、清漆、颜料、填料、涂层等的官能团分析、原料纯度检查、化学反应监视、未知物剖析中，红外光谱法发挥着重要的作用。目前红外光谱分析**用于涂料原料的定性分析、质量管控和涂层失效分析等方面。

(1)对原料进行定性分析。采用红外光谱对涂料用原料进行定性分析很可靠，如可以采用红外光谱对钛BF、碳酸镁粉、碳酸钙等涂料原材料进行纯度鉴定。通过与标准谱图比较，可以确定化合物的结构；对于未知样品，通过官能团、取代基位置、氢键结合、顺反异构以及络合物的形成等结构信息可以推测结构。

将试样的红外光谱与标准的红外光谱进行比对对照。依据光谱峰位、波数、峰形等特征一致性判定两者化合物的相似性及纯度。

图2为环氧涂料原料与标准曲线红外光谱对比图，经过谱图匹配显示，试样的红外谱图与标准红外谱图在峰位、波数、峰形的特征三要素上均有较高的一致性，可判断两者主要成分相同，并具有接近的纯度，同时软件给出两者谱图匹配值达到94.06%，谱图重合度高。

(2)对涂料质量进行管控。开发新产品时，可通过分析官能团的变化，来指导合成条件和工艺配方，为选择确定*佳工艺路线、*佳配方提供依据，如可用红外光谱法跟踪分析环氧树脂、聚氨酯等涂料的固化机理，由OH—基团的变化可推断出环氧树脂的固化条件和固化时间，由OH—和NCO—基团的变化来判断聚氨酯涂料的固化条件和固化时间。图3中展示了聚氨酯涂料在固化前后的红外光谱图。其中比较明显的是涂料固化后在2360cm-1处的吸收峰完全消失，该峰表示N=C=O伸缩振动峰，异氰酸酯基化合物完全参与反应，形成新的化合物。位于3447cm-1处的吸收峰表示-OH的伸缩振动，其峰值也在固化后有一定程度的减弱，也能证明涂料在发生固化反应。

(3)对涂层失效进行分析。涂层失效的重要原因之一是涂料施工前底材被污染。*常遇到的污染物是润滑油和矿物油，它们是引起涂层附着力降低的主要原因。通常有两种方法对润滑油和矿物油进行测定。如果涂层属于热固性涂层，而且涂层样品尺寸在2cm以上，可用注射器吸取2mL左右的己烷洗涤涂层的背面。然后将萃取液制备成涂片，利用红外光谱进行分析，即可得到高质量的红外光谱图。另一种方法是采用衰减全反射分析，该方法不仅适用于热固性涂层，也适用于热塑性涂层。

图4是水性丙烯酸聚氨酯面漆体系在3种老化试验中的红外吸收光谱图，1727cm-1和1165cm-1处酯C==O峰和肪族醚—O—明显减弱，在2955cm-1处吸收峰明显减弱，表示CH2基团在老化中消失。

聚氨酯涂层老化主要是氨基甲酸酯的断裂，有两种断裂形式：一种是C—N键断裂，生成氨基自由基和烷基自由基，并释放出CO2；另一种是C==O键断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。从上述峰位变化可见，该涂层体系中C==O峰位有不同程度的减弱，说明这两种涂层老化是C==O分解，老化机理以第2种为主。

(4)目前红外光谱技术的发展已使红外光谱的意义远远超越了对样品进行简单的常规测试并从而推断化合物的组成的阶段。红外光谱仪与其他多种测试手段联用衍生出许多新的分子光谱领域，例如，红外光谱仪与色谱技术联合为深化认识复杂的混合物体系中各种组份的化学结构创造了机会；把红外光谱仪与显微镜方法结合起来，形成红外成像技术，用于研究非均相体系的形态结构，由于红外光谱能利用其特征谱带有效地区分不同化合物，这使得该方法具有其他方法难以匹敌的化学反差。使用红外光谱仪对材料进行定性分析，**应用于各大、专院校，科研院所及厂矿企业。