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。

（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生變化，便于對原材料進行品質管控。

（3）技術內容：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PVC以及低煙無鹵電纜料知名生產廠家及其產品物性調研。（3）電線電纜用PVC護套料應用技術參數調研。通過資料調研了解到，這些待檢樣品在電線電纜行業的用途，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系列為交聯聚乙烯、絕緣聚氯乙烯護套電力電纜用塑料。目前，國內的大型PVC以及低煙無鹵電纜料廠家在生產PVC電纜護套料時所關注的產品物理性能，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、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，重點是要研發一種快速區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，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。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。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廠家而言是通過PVC樹脂和增塑劑、穩定劑等助劑加工而成的產品，而對于電線電纜加工企業而言則是用來生產電纜的原料，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定、有無變化。樣品加工前熱分析數據如表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過加工后使得體系內的穩定劑質量分數減少，材料的熱穩定性降低，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質量分數相同或非常相近，而1號樣品的PVC質量分數要高于2，3，4號樣品，6號樣品的PVC質量分數要高于1號樣品，且部分樣品在加工前后的熱穩定性發生了變化。

5? ? 結語

根據項目的要求，對國內外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，考察了樣品經加工后性能的變化，發現不同配方的材料經熱加工和成型后其聚集態結構和熱性能發生不同程度的變化，導致材料的宏觀性能發生變化。因此，可以根據材料在加工過程中的聚集態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