太赫兹光谱检测不同橡胶材料研究

徐凤

摘 要： 太赫兹检测技术是当前应用较为广泛的一种技术，其在安全检测、化学、生命科学等方面得到了应用。为了更好地研究太赫兹技术的应用，该文针对太赫兹在橡胶材料检测中的应用进行分析，得到不同橡胶材料的光谱特性等，通过太赫兹光谱检测技术，对不同橡胶材料的吸收系数、折射率等指标进行分析对比，有效地对不同橡胶材料进行区分。通过研究得出，太赫兹的橡胶材料中的应用价值；同时也通过该研究得出橡胶对太赫兹作用机制的影响，提供科学的研究依据。

关键词： 太赫兹光谱检测； 橡胶材料； 检测技术； 安全检测

中图分类号： TN012?34 文献标识码： A 文章编号： 1004?373X（2016）08?0135?03

Research on terahertz spectrum used to detect different rubber materials

XU Feng

（School of Science， Changchun University of Science and Technology， Changchun 310018， China）

Abstract： Terahertz detection technology as a widely used technology has been extensively used in the aspects of safety inspection， chemistry， life science， etc. In order to study the application of terahertz technology further more， the spectral characteristics of different rubber materials were obtained by analyzing the application of terahertz technology in rubber material detection. The absorption coefficient and refractive index of different rubber materials are analyzed and compared by means of terahertz spectrum detection technology to effectively distinguish different rubber materials. The study results show that the terahertz technology has the application value in rubber material identification， and the rubber can influence on the terahertz mechanism. The study provides a basis for the scientific research.

Keywords： terahertz spectrum detection； rubber material； detection technology； security detection

近几年太赫兹技术得到飞速的发展，且随着人们对透明材料需求量的不断提升，透明材料、橡胶材料的种类、性能的检测和区分受到了人们的关注。太赫兹光谱检测技术作为一种新的检测技术，将其应用在橡胶材料的鉴别、性能检测中，有重要的意义。在实际的检测中，太赫兹光谱检测技术，针对透射率较好的光学性质的材料有较好的应用检测价值。本文针对太赫兹光谱检测不同橡胶材料等相关的内容进行分析研究。

1 实验材料

橡胶材料是当前使用较为广泛的一类材料，橡胶主要是由胶料和一些助剂组成，橡胶材料的基础原料为高弹性高分子化合物，在橡胶材料中所占的比例为30%～100%，其可以决定橡胶材料的性能[1]。当前使用广泛的橡胶材料主要有氯丁橡胶、三元乙丙橡胶、丁腈橡胶，前两种橡胶是通用橡胶的主要产品，有较大的需求量和市场，后一种橡胶是目前消耗量最大的橡胶材料。

氯丁橡胶是由氯丁二烯聚合而成的橡胶，其自身具有耐热、耐氧化等特性，氯丁橡胶主要应用于运输皮带、造纸、耐油胶管等的制造。除此之外，氯丁橡胶还是一种性能较好的胶粘剂，其且有粘度小、易渗透、耐老化、粘接力强等特点[2]。而丁腈橡胶是一种共聚物，有较好的耐油性、耐磨性、耐热性，其可以广泛的应用在汽车、石油纺织、印刷、航空等领域中，而三元乙丙橡胶则是乙烯、丙烯、非共轭二烯烃的三元共聚物，其有较强的抗氧化、抗侵蚀的能力。随着工业生产的发展，橡胶材料的种类和性能不断的增多和扩展，在一些合成橡胶中，对橡胶材料进行的鉴别，有重要的意义和作用，目前产生的鉴别方法主要有外观检测法、燃烧实验法、气相色谱法、红外光谱法等，这些检测方法对试样的处理较为复杂，且花费的时间、精力较多，检测的结果准确度也较低，所以这些方法无法准确地解决橡胶材料区分[3?4]。

太赫兹光谱技术，在科学技术不断发展的背景下产生，其是一种非接触测量技术，具有传统检测方法没有的优点，太赫兹光谱检测技术，其可以利用THz?TDS技术，橡胶的结构、形态以及环境对其性能产生的影响等进行有效的鉴别和测定。太赫兹光谱技术，可以敏锐地发现分子偶极矩产生的变化，为此本文选择氯丁橡胶、三元乙丙橡胶、丁腈橡胶，作为本次研究中的材料，对其相关的性能和参数进行测定，便于对氯丁橡胶、三元乙丙橡胶、丁腈橡胶进行区分鉴别。

2 实验仪器及方法

为了对太赫兹光谱技术检测氯丁橡胶、三元乙丙橡胶、丁腈橡胶进行研究，使用太赫兹光谱透射装置进行测量，装置如图1所示。太赫兹光谱测定中，光谱物理再生放大器系统波长为800 nm，脉宽100 fs，重复频率为1 kHz飞秒脉冲[5]。在分束镜的后面有泵浦脉冲、探测脉冲。电磁波采用自由电光采样技术进行探测，THz信号则使用斩波器控制的锁相放大器进行采集测定。在对氯丁橡胶、三元乙丙橡胶、丁腈橡胶进行太赫兹光谱测定中，试验温度为室温，湿度要求为<4%，在实验进行中，需要最大限度的消除水汽对测定结果产生的影响，为此可以将其放在氮气环境中完成测定。在测定的过程中，其产生的不确定性主要是来自振荡和噪音，而噪音则是由电、光、机械振荡等因素产生。在测定因素的影响中，噪音影响因素中的电噪音和光噪音可以通过锁相放大器进行改善和减弱，但是其只能将噪音降低到最小，而无法将测定中的机械漂移解决。在太赫兹光谱测定中，多次进行扫描，取得了的扫描信号取平均值，可以将噪音产生的影响降低，在测定中每一个样品测定两次。

太赫兹光谱测定系统对样品进行的测定可以清楚地测量通过样品和没有通过样品脉冲的相位和振幅。对参考信号和样品测定得到的光谱进行快速的傅里叶转换，可以得到影响的时域光谱，并得出穿过样品THz电场强度，以及参考电场强度在时域光谱中的比值、折射率之间的关系：

[T=4N（N+1）ei2π（n-1）dv/c=Aeiφ] （1）

式中：A为振幅；φ为样品电场和参考电场的相位差；d为样品的厚度；v为辐射频率；c为真空中的光速。从式（1）可以得出橡胶材料样品的折射率n（v）、消光系数k（v）、吸收系数α（v），有：

[n（v）=cφ2πdv+1] （2）

[α（v）=4πvk（v）c] （3）

在实验中，橡胶样品的厚度，对光学参数的获取有重要的影响，样品的厚度过薄、过厚等会影响测量的精度和准确度。主要是因为橡胶样品的厚度会造成太赫兹光谱检测系统产生的太赫兹波与很多分子发生相互作用，相对而言，橡胶样品的厚度过厚，在一定程度上会因为脉冲吸收的作用，降低信噪比，而橡胶样品过薄则会造成参考信号与橡胶样品信号的区分难度增加，这些因素的存在都与橡胶材料本身的吸收性能有关[6]。所以为了保证整个测定结果的准确性，同时又可以保证信噪比降低，需要将实验中橡胶样品的厚度控制在0.6 mm。

3 实验结果及分析

在本次实验中，三种不同类型的橡胶材料，进行太赫兹光谱测定，不同类型的橡胶材料，有不同的折射率、吸收率，且呈现出不同的波速和光程。如图2所示。

从图2中可以知道三种橡胶材料在0.2～1.8 THz波段中，呈现出来的吸收光谱存在明显的差异性，且吸收系数随着频率的增加呈现升高的趋势。在本次实验中，丁腈橡胶、三元乙丙橡胶没有吸收峰，氯丁橡胶呈现出一个吸收峰。在本次测定中，三种橡胶样品的吸收性均较强，且为共振吸收，造成这种现象的主要原因为橡胶分子在太赫兹波段产生的共振及聚合物之间较弱的结合力。

本次研究中的三种橡胶材料的太赫兹光谱测定的折射光谱如图3所示。

从本次的测定结果可以得出，三种橡胶材料的折射率在1.67～5.74之间，平均折射率为氯丁橡胶1.85、丁腈橡胶3.02、三元乙丙橡胶2.06。不同的橡胶材料其折射率不同，其与太赫兹光波的频率呈现一定的关系，丁腈橡胶和氯丁橡胶随着频率的增加而减小，呈现反比例关系，三元乙丙橡胶随着频率的增加，基本上保持平稳，由此可以说明，橡胶材料的物理性质、化学性质均存在着差异性，每个种类都有自己的特性。

通过本次研究可以得出，太赫兹光谱技术，通过测定得出不同橡胶材料的折射率，而不同的折射率，可以作为不同橡胶材料区分鉴别的指标，所以太赫兹光谱技术可以在橡胶材料领域中得到应用。

4 结 语

社会在发展，科技在进步，各种诊断技术、测定技术不断的产生，性能的不断提高且广泛地应用在各个方面，太赫兹光谱技术，在不同橡胶材料区分鉴别中的应用，可以通过折射率、吸收率确定橡胶材料的种类。通过本次研究得出太赫兹光谱测定技术，检测准确率高，对样品无损耗，可以进行橡胶材料的区分。

参考文献

[1] 孟令坤，袁杰.太赫兹成像系统的分析与控制[J].现代电子技术，2011，34（12）：131?134.

[2] 苗青，田璐，赵昆，等.三种橡胶材料的太赫兹光谱研究[J].现代科学仪器，2011（5）：110?113.

[3] 陈锡爱.太赫兹时域光谱及其成像检测技术研究[D].杭州：浙江大学，2012.

[4] 韩建龙，邱桂花，张瑞蓉，等.太赫兹时域光谱技术在塑料研究中的应用[J].工程塑料应用，2013（3）：120?123.

[5] 罗闯，赵书俊，蒋伟，等.基于PCI?9812的太赫兹成像数据采集系统设计[J].现代电子技术，2010，33（8）：200?201.

[6] 王鹤，赵国忠.几种塑料的太赫兹光谱检测[J].光子学报，2010，39（7）：1185?1188.