利用FTIR TGA法對PVC以及低煙無鹵電纜料成分定性定量分析的探究

王射林 王思遠

摘? ?要：由于含鹵電纜在火災中燃燒會釋放出大量有害氣體和煙霧，極易造成人員傷亡，這已引起了世界各國對電線電纜阻燃和低煙無鹵問題的高度重視。文章利用FTIR，TGA法對PVC以及低煙無鹵電纜料成分定性定量分析進行探究。

關鍵詞：PVC;低煙無鹵電纜;成分;樣品檢測

1? ? 項目介紹

（1）項目名稱：聚氯乙烯（Polyvinyl Chloride，PVC）以及低煙無鹵電纜護套料性能研究與開發(fā)。

（2）技術目標：通過對70 ℃和90 ℃的PVC電纜護套材料，低煙無鹵材料的檢測，識別上述材料是否發(fā)生變化，便于對原材料進行品質管控。

（3）技術內(nèi)容：針對70 ℃和90 ℃的PVC電纜護套材料，低煙無鹵材料，建立快速評定方法，以便對采購的原材料進廠驗收，了解進廠材料成分及配方穩(wěn)定性。

（4）技術方法和路線：利用傅里葉紅外光譜儀檢測設備、研究分析成果，對樣品材料進行分析，達到對樣品的成分定性和部分定量結果分析。

2? ? 項目研究方案

2.1? 研究基礎

為順利開展樣品檢測工作并建立一套材料質量快速評價方法，我們首先對70 ℃和 90 ℃聚氯乙烯電纜護套材料和低煙無鹵材料方面的資料進行調研。本次資料調研主要分為3個部分：（1）待檢材料樣品調研。（2）國內(nèi)PVC以及低煙無鹵電纜料知名生產(chǎn)廠家及其產(chǎn)品物性調研。（3）電線電纜用PVC護套料應用技術參數(shù)調研。通過資料調研了解到，這些待檢樣品在電線電纜行業(yè)的用途，如HR-70系列為70 ℃柔軟護層級軟聚氯乙烯塑料，PVC-ST2系列為90 ℃熱塑性聚氯乙烯塑料，PVC-ST3系列為交聯(lián)聚乙烯、絕緣聚氯乙烯護套電力電纜用塑料。目前，國內(nèi)的大型PVC以及低煙無鹵電纜料廠家在生產(chǎn)PVC電纜護套料時所關注的產(chǎn)品物理性能，通過以上資料的調研，進一步總結歸納出，在建立樣品的快速評價方法時，需要關注的物理性能，如材料的抗拉強度、斷裂伸長率、沖擊脆化溫度、20 ℃體積電阻率、介電強度、熱變形、200 ℃熱穩(wěn)定時間、老化后抗拉強度（抗拉強度變化率）、老化后斷裂伸長率（斷裂伸長變化率）、質量損失率。對于阻燃/高阻燃/低煙低鹵阻燃PVC護套料還需要關注其氧化指數(shù)、氯化氫等鹵酸氣體釋放量、煙密度（N-溴代琥珀酰亞胺法無焰）、煙密度（N-溴代琥珀酰亞胺法有焰）等。

3? ? 樣品檢測

本項目的核心是建立一種樣品快速質檢評價方案，重點是要研發(fā)一種快速區(qū)分樣品之間差異的方法，找出影響材料性能的關鍵因素，并探究如何影響材料的性能。同時，根據(jù)上述資料調研，我們需要對每組樣品中所關注的物理性能進行測試，以考察其是否滿足電纜護套料的物性指標要求。

基于一般塑料產(chǎn)品的檢測方法和過程，本文擬定了該類聚氯乙烯電纜護套料產(chǎn)品的檢測分析方案。

（1）通過傅里葉紅外光譜儀對這7組樣品進行初步的定性分析。（2）對加工前的樣品進行熱重分析（Thermal Gravity Analysis，TG），得到每組樣品相應的熱性能參數(shù)，如樣品的初始熱失重溫度、基體的初始分解溫度以及基體在初始分解時的最大分解速率溫度，為后續(xù)加工實驗的實驗條件和差示掃描量熱法（Differential Scanning Calorimeter，DSC）測試的測試條件提供了參考。（3）對這些原料進行加工得到7組加工后的樣品，并對加工后的樣品進行熱重分析。（4）對加工前后的這7組樣品進行DSC分析，同時，對加工后樣品的物性進行測試。

4? ? 檢測分析

4.1? 紅外檢測分析

（1）檢測目的：對樣品進行初步的定性分析并探究7組樣品在結構上的差異。

（2）檢測設備：傅里葉紅外光譜儀。

（3）圖線分析：特征區(qū)。2919：—CH2—不對稱伸縮，2850：—CH2—對稱伸縮振動，1719：C=O（酯），1414：—CH2—CHCl—對稱伸縮振動。指紋區(qū)。1266：—CH—Cl伸縮振動，1111：—C—C—骨架彎曲振動，614：C—Cl伸縮振動，726：長鏈飽和烴-（CH2）n—（n≥4）面內(nèi)搖擺振動，常分裂為雙峰。

（4）結論：1～6號樣品紅外曲線相似度較高，皆為添加了增塑劑的PVC材料，最后一組樣品與前6組有著顯著區(qū)別，分析其為聚烯烴類材料。

4.2? 熱重檢測分析

（1）檢測目的：探究每組樣品加工前后的熱穩(wěn)定性以及7組樣品之間的熱性能差異。

（2）檢測設備：熱重分析儀。

從熱重曲線中可以看出這7組樣品彼此之間的差別在加工前后差異不大，第一段熱分解過程中，7號樣品在加工前的初始熱分解溫度為284 ℃，高于前6組樣品，同時，其初始最大熱分解速率溫度也高于前6組。至于前6組樣品的第二個熱分解階段（主鏈的裂解），彼此之間較為分散的原因是每組樣品所含的PVC基體不同。由于這些樣品對于塑料生產(chǎn)廠家而言是通過PVC樹脂和增塑劑、穩(wěn)定劑等助劑加工而成的產(chǎn)品，而對于電線電纜加工企業(yè)而言則是用來生產(chǎn)電纜的原料，所以需要對這些樣品加工前后的TG曲線（見圖1）進行比對，來考察每組樣品自身在加工前后其熱重曲線是否穩(wěn)定、有無變化。樣品加工前熱分析數(shù)據(jù)如表1所示。

（3）圖線分析：從抽出的這4組樣品的熱重曲線圖中可以看出，1號樣品在加工前后的熱重曲線較為穩(wěn)定，只是在填料的分解階段熱重分析（Differential Thermal Gravity，DTG）曲線峰向左略微偏移。對于3號和5號樣品，其DTG曲線在初始分解階段的最大熱分解速率相比于加工前有一定的升高，分析其原因是原料經(jīng)過加工后使得體系內(nèi)的穩(wěn)定劑質量分數(shù)減少，材料的熱穩(wěn)定性降低，最大分解速率提高。7號聚烯烴類樣品在加工前后的熱重曲線沒明顯變化。

（4）結論：第7組樣品與前6組樣品的熱分解行為存在差異，前6組PVC類材料樣品中2，3，4號樣品的熱分解曲線相似度很高，說明這3組樣品的PVC質量分數(shù)相同或非常相近，而1號樣品的PVC質量分數(shù)要高于2，3，4號樣品，6號樣品的PVC質量分數(shù)要高于1號樣品，且部分樣品在加工前后的熱穩(wěn)定性發(fā)生了變化。

5? ? 結語

根據(jù)項目的要求，對國內(nèi)外PVC電纜料和低煙無鹵阻燃材料進行了調研和文獻的查閱，并PVC電纜料和低煙無鹵阻燃材料樣品進行基本物理性能、阻燃性能和熱性能的表征和分析。同時，考察了樣品經(jīng)加工后性能的變化，發(fā)現(xiàn)不同配方的材料經(jīng)熱加工和成型后其聚集態(tài)結構和熱性能發(fā)生不同程度的變化，導致材料的宏觀性能發(fā)生變化。因此，可以根據(jù)材料在加工過程中的聚集態(tài)和熱性能的變化快速表征材料的性能。

Abstract：Because halogenated cables burn in fires， they will release a lot of harmful gases and fumes， which can easily cause casualties. This has caused the world to pay great attention to the flame retardant and low-smoke and halogen-free problems of wire and cable. In this paper， FTIR and TGA methods are used to explore the qualitative and quantitative analysis of PVC and low-smoke halogen-free cable materials.

Key words：PVC; low-smoke halogen-free cable; composition; sample detection