利用FTIR TGA法对PVC以及低烟无卤电缆料成分定性定量分析的探究

王射林 王思远

摘   要：由于含卤电缆在火灾中燃烧会释放出大量有害气体和烟雾，极易造成人员伤亡，这已引起了世界各国对电线电缆阻燃和低烟无卤问题的高度重视。文章利用FTIR，TGA法对PVC以及低烟无卤电缆料成分定性定量分析进行探究。

关键词：PVC;低烟无卤电缆;成分;样品检测

1    项目介绍

（1）项目名称：聚氯乙烯（Polyvinyl Chloride，PVC）以及低烟无卤电缆护套料性能研究与开发。

（2）技术目标：通过对70 ℃和90 ℃的PVC电缆护套材料，低烟无卤材料的检测，识别上述材料是否发生变化，便于对原材料进行品质管控。

（3）技术内容：针对70 ℃和90 ℃的PVC电缆护套材料，低烟无卤材料，建立快速评定方法，以便对采购的原材料进厂验收，了解进厂材料成分及配方稳定性。

（4）技术方法和路线：利用傅里叶红外光谱仪检测设备、研究分析成果，对样品材料进行分析，达到对样品的成分定性和部分定量结果分析。

2    项目研究方案

2.1  研究基础

为顺利开展样品检测工作并建立一套材料质量快速评价方法，我们首先对70 ℃和 90 ℃聚氯乙烯电缆护套材料和低烟无卤材料方面的资料进行调研。本次资料调研主要分为3个部分：（1）待检材料样品调研。（2）国内PVC以及低烟无卤电缆料知名生产厂家及其产品物性调研。（3）电线电缆用PVC护套料应用技术参数调研。通过资料调研了解到，这些待检样品在电线电缆行业的用途，如HR-70系列为70 ℃柔软护层级软聚氯乙烯塑料，PVC-ST2系列为90 ℃热塑性聚氯乙烯塑料，PVC-ST3系列为交联聚乙烯、绝缘聚氯乙烯护套电力电缆用塑料。目前，国内的大型PVC以及低烟无卤电缆料厂家在生产PVC电缆护套料时所关注的产品物理性能，通过以上资料的调研，进一步总结归纳出，在建立样品的快速评价方法时，需要关注的物理性能，如材料的抗拉强度、断裂伸长率、冲击脆化温度、20 ℃体积电阻率、介电强度、热变形、200 ℃热稳定时间、老化后抗拉强度（抗拉强度变化率）、老化后断裂伸长率（断裂伸长变化率）、质量损失率。对于阻燃/高阻燃/低烟低卤阻燃PVC护套料还需要關注其氧化指数、氯化氢等卤酸气体释放量、烟密度（N-溴代琥珀酰亚胺法无焰）、烟密度（N-溴代琥珀酰亚胺法有焰）等。

3    样品检测

本项目的核心是建立一种样品快速质检评价方案，重点是要研发一种快速区分样品之间差异的方法，找出影响材料性能的关键因素，并探究如何影响材料的性能。同时，根据上述资料调研，我们需要对每组样品中所关注的物理性能进行测试，以考察其是否满足电缆护套料的物性指标要求。

基于一般塑料产品的检测方法和过程，本文拟定了该类聚氯乙烯电缆护套料产品的检测分析方案。

（1）通过傅里叶红外光谱仪对这7组样品进行初步的定性分析。（2）对加工前的样品进行热重分析（Thermal Gravity Analysis，TG），得到每组样品相应的热性能参数，如样品的初始热失重温度、基体的初始分解温度以及基体在初始分解时的最大分解速率温度，为后续加工实验的实验条件和差示扫描量热法（Differential Scanning Calorimeter，DSC）测试的测试条件提供了参考。（3）对这些原料进行加工得到7组加工后的样品，并对加工后的样品进行热重分析。（4）对加工前后的这7组样品进行DSC分析，同时，对加工后样品的物性进行测试。

4    检测分析

4.1  红外检测分析

（1）检测目的：对样品进行初步的定性分析并探究7组样品在结构上的差异。

（2）检测设备：傅里叶红外光谱仪。

（3）图线分析：特征区。2919：—CH2—不对称伸缩，2850：—CH2—对称伸缩振动，1719：C=O（酯），1414：—CH2—CHCl—对称伸缩振动。指纹区。1266：—CH—Cl伸缩振动，1111：—C—C—骨架弯曲振动，614：C—Cl伸缩振动，726：长链饱和烃-（CH2）n—（n≥4）面内摇摆振动，常分裂为双峰。

（4）结论：1～6号样品红外曲线相似度较高，皆为添加了增塑剂的PVC材料，最后一组样品与前6组有着显著区别，分析其为聚烯烃类材料。

4.2  热重检测分析

（1）检测目的：探究每组样品加工前后的热稳定性以及7组样品之间的热性能差异。

（2）检测设备：热重分析仪。

从热重曲线中可以看出这7组样品彼此之间的差别在加工前后差异不大，第一段热分解过程中，7号样品在加工前的初始热分解温度为284 ℃，高于前6组样品，同时，其初始最大热分解速率温度也高于前6组。至于前6组样品的第二个热分解阶段（主链的裂解），彼此之间较为分散的原因是每组样品所含的PVC基体不同。由于这些样品对于塑料生产厂家而言是通过PVC树脂和增塑剂、稳定剂等助剂加工而成的产品，而对于电线电缆加工企业而言则是用来生产电缆的原料，所以需要对这些样品加工前后的TG曲线（见图1）进行比对，来考察每组样品自身在加工前后其热重曲线是否稳定、有无变化。样品加工前热分析数据如表1所示。

（3）图线分析：从抽出的这4组样品的热重曲线图中可以看出，1号样品在加工前后的热重曲线较为稳定，只是在填料的分解阶段热重分析（Differential Thermal Gravity，DTG）曲线峰向左略微偏移。对于3号和5号样品，其DTG曲线在初始分解阶段的最大热分解速率相比于加工前有一定的升高，分析其原因是原料经过加工后使得体系内的稳定剂质量分数减少，材料的热稳定性降低，最大分解速率提高。7号聚烯烃类样品在加工前后的热重曲线没明显变化。

（4）结论：第7组样品与前6组样品的热分解行为存在差异，前6组PVC类材料样品中2，3，4号样品的热分解曲线相似度很高，说明这3组样品的PVC质量分数相同或非常相近，而1号样品的PVC质量分数要高于2，3，4号样品，6号样品的PVC质量分数要高于1号样品，且部分样品在加工前后的热稳定性发生了变化。

5    结语

根据项目的要求，对国内外PVC电缆料和低烟无卤阻燃材料进行了调研和文献的查阅，并PVC电缆料和低烟无卤阻燃材料样品进行基本物理性能、阻燃性能和热性能的表征和分析。同时，考察了样品经加工后性能的变化，发现不同配方的材料经热加工和成型后其聚集态结构和热性能发生不同程度的变化，导致材料的宏观性能发生变化。因此，可以根据材料在加工过程中的聚集态和热性能的变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