最火红外光谱仪的发展及其在涂料工业中的应用方

红外光谱仪的发展及其在涂料工业中的应用方向

红外光谱仪的发展及其在涂料工业中的应用方向

2019年01月01日

1 - 引言

红外光谱( IR) 又称为分子振动转动光谱, 是一种分子光谱[ 1] 。20 世纪50 年代开始应用的第一代红外光谱仪是基于棱镜对红外辐射的色散而实现分光, 其棱镜用碱金属卤化物晶体做成, 极易吸水潮解, 它要求严格的恒温恒湿, 本身分辨率低, 造价较高, 缺点很多。随着光栅刻划和摹制技术的发展, 60 年代红外辐射通过光栅的衍射完成分光, 制得了第二代红外光谱仪中国涂料。它虽比第一代仪器具有能量高、分辨率高、价格便宜、对仪器恒温恒湿要求较低等优点, 但这两代仪器的共同缺点是扫描速度慢, 至少要数分钟才能作出一张谱图, 远远不能满足反应动力学研究的需要。

傅立叶变换红外光谱仪是20 世纪70 年代问世的。它基于光相干性原理而设计的干涉型红外分光光度计, 不同于依据光的折射和衍射而设计的色散型红外分光光度计, 被称为第三代红外光谱仪[ 2] 。

当傅立叶红外变换光谱仪在与计算机联用后, 其灵敏度比第二代光栅分光提高了2 至3 个数谱级[ 3] 。傅立叶变换红外光谱仪的特点[ 4] 如下。

( 1) 测量速度快

动镜扫描一次的时间大约一秒钟, 而一次扫描中包含了光源发出的所有波长红外光的信息, 这一速度比色散型红外光谱仪快数百倍。它可以跟踪快速的原位化学反应, 可以检测气相色谱以及液相色谱分离的样品, 实验色谱和红外光谱的联用。

( 2) 灵敏度高

傅立叶变换红外光谱仪测量的原始数据时一束混合光的干涉谱图, 整个光束同时检测, 信号强度大。同时可以通过调节扫描次数是信号强度和噪音比增加。由于样品的吸收信号时一个确定的值, 而噪音在一定的范围内是随机的, 所以随着扫描次数的增加, 平均噪音的信号会变得越来越弱。

( 3) 谱峰定位准确

傅立叶变换红外光谱仪可以对同一样品在不同时间进行多次测定而不会产生由于仪器原因导致的谱峰位置偏移, 不需要使用参考样品的测量来确定谱峰的准确位置。

( 4) 分辨率高

相邻峰之间的分辨能力强, 可以达到0- 5cm- 1以下。

( 5) 测定范围宽

只要改变适宜的劈光器和光源就可以研究整个红外区的光谱( 10000~ 10 cm- 1 ) 。

2 - 傅立叶变换红外光谱仪( FT IR) 的发展趋向

- - FTIR 正从大型的研究级仪器向小型的普及级方向发展, 这是为了满足一般日常红外分析之用, 使价格由极为昂贵逐渐变成低廉, 生产出一系列不同型号的产品, 以满足不同使用者的要求。FT IR 的另一发展方向是组合式, 组合又分两种方式: 一种方式是扩大仪器本身的光谱区范围。更换光路中的光源、分束器、检测器等元件, 在同一台FT IR 上能得15000~ l0 厘米- 1红外全光谱区的信息。更换元件的操作很简单, 通过计算机自动准直并校正, 在数分钟内即能完成更换工作, 并保证了仪器的可靠性。第二种方式是通过各种接口将其他仪器或制样附件联接在光谱仪上, 使分析样品获得更多的信息。最初是GC 联用, GC 中分出的组分可直接作定性分析。也有通过接口将可见- 紫外分光光度计连接在同一计算机上拜耳材料科技展出聚碳酸酯材料。近几年来又发展了热重接口, 使FT IR 与TGA 联用, 可直接分析出热失重成分。此外, FT IR 目前已能与EGA ( 脱气分析) 、LC( 液体色谱) 、S FC( 超临界射流色谱) 和T LC( 薄层色谱) 等联用, 解决了混合样品分离的难题, 缩短了混台样品的分析周期。为进一步扩大红外光谱的分析领域, 解决微量样品和碓处理样品的红外分析问题, 近年来发展了大量制样附件。除较早期的光束聚焦器、ATR、镜反射等附件外, 近期出现的有光声光谱附件, 利用光声效应, 不需特殊制样即能分析难制样的样品。红外显微镜是专门为有效地分析微量及珍贵样品设计的, 它对法庭工作有特殊意义。众所周知, 红外分析在制样过程中最忌讳的是水, 为测定水溶液样品中的成分, 设计了圆柱体内反射装置, 它可以有效地分析像牛奶那样的水质样品。此外, 还有漫反射装置,可以从痕量样品得到良好的谱图, 如分析出LC 和TLC 分离组分中微毫克量的组分。自动进样装置可以在无人操作情况下自动进样100 次。昼夜工作, 提高试验室工效。

总之, 当前的FT IR 正向着提高工作效率、扩大分析范围的方向发展。将来的分析试验室只需购置一台能与上述各仪器联机并有足够的制样附件的FT IR, 即能基本满足分析有机物的要求, 它将成为

有机分析试验室的最有力的工具。

3 - FT IR 光谱分析在涂料工业中的应用方向

- - 涂料是一种流动状态或粉末状态的有机物质,能均匀而牢固地覆盖在物体表面, 并经干燥固化形成坚韧的连续状涂膜, 对被涂物体起保护和装饰等作用, 以增加其耐用性和美观性。早期涂料是用植物油和从漆树上采下来的漆液制成涂覆材料, 故称油漆。当代由于科学技术的不断进步, 石油化学工业的发展, 越来越多的应用合成树脂制造油漆, 使油漆的产品结构、性能、品种的质量都发生了根本的变化, 应用的范围更加广泛, 几乎代替了植物油, 所以用涂料的名称更为确切[ 5] 。

随着市场经济的发展, 国外涂料产品大量进入国内市场, 从整体上讲, 我国涂料行业与国外先进水平的差距是明显的。为了缩小这种差距, 在日趋激烈的市场竞争之中占有一席之地, 各企业都更加重视新产品的开发和引进技术的消化吸收; 同时, 涂料生产和应用企业也更加重视涂料产品的质量管理。为此, 必须加强现代化分析方法的应用[ 6] 。尽管有许多方法可以达到上述目的, 但红外光谱仪因对大部分物质都具有高度的特征性, 测定的样品可为固体、液体、气体, 不受被测物状态的限制, 有机、无机、高分子化台物等都可测定, 分析操作简便、快速等特点, 从而成为涂料分析的首选分析仪器[ 7] 。黄宁[ 8]用红外光谱仪对PVDF 氟碳涂料中各组分进行分析鉴定的方法, 以及如何测定涂料中PVDF 树脂的含量, 并以实例加以说明。沈浩、邬全生、李小兰[ 9]利用红外光谱仪分析聚氨酯涂料的固化过程, 测定了它可以被卷起其在120 - 的固化程度和固化速度, 并确定了其固化条件为120 -