利用X射線衍射儀測量β-PPR管件中β晶含量

趙 波

(1.福建省產品質量檢驗研究院，福建 福州 350002；2.國家塑料制品質量監督檢驗中心，福建 福州 350002)

我國的塑料管道自上世紀從國外引進以來，經過幾十年的發展，已成為全球最大的生產和消費國，產品所使用的材質主要有聚乙烯、聚氯乙烯和聚丙烯。聚丙烯塑料管道廣泛應用于民用和工業用塑料管道兩方面，分別用來輸送生活用水和工業液體介質。

隨著人們對管道產品要求不斷提高，近年來出現了β晶型改性的聚丙烯管道產品，β晶的引入不僅提高了產品高溫承壓能力和抗熱變形能力[1]，同時也提高了其低溫沖擊性能。因此在民用和工業用管道方面得到廣泛應用。2017年相繼實施的國家[2-4]、行業標準[5,6]均對β晶型聚丙烯產品質量做出了相應的要求，標準僅對β晶改性的聚丙烯物理力學性能做出了具體要求，但如何鑒別β晶型和測定β晶含量尚沒有明確統一的方法，本文利用廣角X衍射儀(XRD)測試β晶無規共聚聚丙烯管件中β含量，研究測試條件對試驗結果的影響，以尋找測定β晶含量可靠的測試方法。

1 實驗部分

1.1 試樣

β-PPR管件試樣：規格型號：dn32 mm S4 90°彎頭，市售。

1.2 主要設備

X射線衍射儀，Ultima III，日本理學電機株式會社，X光管為Cu靶。

1.3 樣品制備

圖1 試樣制備示意圖

如圖1所示，用切片機或刀片將管件管狀部分切割成平整的平面，將試樣裝入槽式裝樣器，使樣品表面與槽面平行。切削過程避免因局部過熱導致樣品表面晶型轉化。

1.4 計算依據

Turner-Jones[7]曾利用X射線衍射儀研究β-PP中α晶、β晶，發現α、β晶型的衍射峰通常在2θ為5°～35°范圍內出現，并利用公式(1)對試樣中β晶含量進行計算(Kβ)：

式中，Iβ(300)、Iα(110)、Iα(040)和Iα(130)分別為β晶(300)、α晶(110)、(040)和(130)晶面的衍射峰積分強度。

2 結果與討論

2.1 掃描速度的影響

表1 不同掃描速度X射線測試結果

本試驗考察不同掃描速度對X射線衍射測量β-PPR管件的影響。試驗采用相同測試條件：電壓36 kV、電流30 mA、發散狹縫0.5°、防散射狹縫0.5°、接收狹縫4 mm，改變掃描速度，分別以1，2，8 °/min對試樣進行測試，掃描范圍為5°～35°，記錄衍射角(2θ)約為14.0°、16.8°、18.6°的α晶型的(110)、(040)、(130) 晶面衍射峰及衍射角約為16.0°的β晶型的(300)晶面衍射峰信息。試驗結果列于表1和圖2。

圖2 不同掃描速度X射線測試結果

結果表明，不同掃描速度所測得的α晶型和β晶型同一特征晶面衍射峰強度計數值均不相同，且計數值呈現出與掃描速度成反比的關系，但β晶含量卻大致相同。其原因是，在相同測試功率和狹縫參數下，掃描速度越慢，累積照射到試樣上的X射線數量越多，探測器接收到的信號越強，所得X衍射譜圖衍射峰強度越高。此外，掃描速度對α晶型和β晶型均有影響。這與張杰[8]等人的試驗結果是一致的。

2.2 測試功率的影響

本試驗考察測試功率對試驗結果的影響，采用相同測試條件：掃描速度2°/min、發散狹縫0.5°、防散射狹縫0.5°、接收狹縫4 mm。通過改變儀器工作電壓和工作電流，使用以下測試條件：a.工作電壓為28 kV、工作電流20 mA；b.工作電壓為36 kV、工作電流20 mA；c.工作電壓為36 kV、工作電流26 mA；d.工作電壓為36 kV、工作電流30 mA測試試樣，所得測試及分析結果分別見圖3和表2。

圖3 不同測試功率X射線測試結果

表2 不同測試功率X射線測試結果

結果表明，隨著測試功率的增加，所得到α晶型和β晶型同一特征晶面衍射峰強度計數值均增大，所得到的X射線譜圖平滑度也隨之提高。其原因是，由于特征X射線的強度正比于工作電壓和最低激發電壓之差的n次方，又正比于工作電流[9]，因此測試功率越大，累積照射到試樣上的X射線強度越高，所得衍射譜圖衍射峰強度隨之提高。反之，功率較低時，衍射峰強度較低。可見在測試條件允許的情況下提高測試功率可得到更加準確的測試結果。考慮到測試設備的壽命和測試效果，一般推薦測試功率為測試設備的80%為宜[9]。

2.3 測試狹縫的影響

本試驗考察測試狹縫對X射線衍射測量β-PPR管件的影響。由于β晶(300)、α晶(110)、(040)和(130)晶面的衍射角(2θ)均在20°以下，依據黃繼武[9]關于測試狹縫論述，物質衍射峰在20°以下的，測定使用發散狹縫為0.5°，而防散射狹縫取值一般與發散狹縫相同，故本試驗采用相同測試條件：掃描速度2 °/min、發散狹縫0.5°、防散射狹縫0.5°、測試功率為1080W(36 kV，30 mA)。將接收狹縫分別設置為0.3、4和6 mm，所得圖譜及其分析結果分別見圖4和表3。

從圖4和表3中接收狹縫的試驗結果可見，接收狹縫尺寸越大，雖然各晶面衍射峰的衍射強度提高，但分辨率卻降低。這是由于接收狹縫是用以限制待測角度附近區域上的X射線進入檢測器，接收狹縫的尺寸越大，接收的X射線信號越強，但信號中夾雜了所測角度附近區域上的無效信息越多，導致分辨率降低。因此，要得到較高衍射強度和分辨率的衍射曲線，接收狹縫可選取4 mm。

圖4 不同狹縫參數X射線測試結果

表3 試樣在不同接受狹縫的試驗結果

3 結論

通過上述試驗結果可知：1)掃描速度影響各晶面的衍射峰強度，當掃描速度為2 °/min時，既可得到理想的試驗結果也可以提高測試效率。2)在測試儀器的允許情況下，為得到準確的試驗結果，可盡量提高測試電壓與電流，推薦測試功率為測試設備額定功率的80%為宜。3)接收狹縫影響試驗結果的分辨率和衍射峰強度，接收狹縫設置為4 mm較為合適。