随着家用电器行业的快速发展，非金属材料需求在不断增大，已成为家用电器行业的第二大原材料，仅仅次于钢材。无论是大家电还是小家电，都离不开非金属材料的应用，比如使用聚氯乙烯PVC的护套、聚碳酸酯PC的显示板、ABS的塑料外壳、聚酰胺PA的接线端子等等[1]。
不同材质的非金属材料，其燃烧性能、机械强度都不相同，价格差异也很大，若随意更改配方和工艺，混乱使用材料，会致使材料质量与性能不稳定。为保证产品设计与生产过程中的材料使用一致，需要加强质量控制，定期进行材质鉴别检测非常必要。家电企业在产品生产前，会进行产品的非金属材料检测实验，确保使用符合国家标准要求的材料，在后期产品生产后，也需定期对使用材料进行检测，监督生产中的材质是否一致，避免产生偷工减料的情况，从而达到质量控制的目的。
材质检测最常运用的实验是红外光谱FTIR检测，此方法快速、灵敏度高、样品用量少，是非金属材料鉴别的重要手段。
1红外光谱检测
红外光谱检测能精确地对材料的化学组成进行分析。非金属材料多由高分子材料组成，不同的高分子材料含有不同的化学基团，当样品受到红外光照射时，分子中含有相同振动频率的键会被其振动吸收，没有被吸收的光会到达检测器，被吸收部分的透射光强会减弱形成吸收峰。根据被检测样品吸收峰的强度与波长对应出相应的化学基团，判断样品的材质[2]。
非金属材料鉴定的重要区域是中红外区，即波数4 000 cm-1～400 cm-1。如图1所示，波数4 000 cm-1～1 300 cm-1为特征区，此区域的吸收峰特征性强，较为稀疏，容易辨认，在该区域出现的吸收峰一般用于鉴定官能团的存在。波数1 300 cm-1～400 cm-1的低频区，谱带特别密集，对结构变化很敏感，结构上微小的变化往往导致光谱上的显著不同，如同人的指纹一样，此区域称为指纹区，一些同系物或结构相近的化合物，在这一区域往往会有一定差别。
图1 FTIR的典型图谱
2实验
2.1 主要仪器及制样方法
傅里叶变换红外光谱仪。波数范围：4 000 cm-1～400 cm-1，样品扫描次数：32，背景扫描次数：32，分辨率：4.0，动镜速度：0.474 7，光阑：34.00，检测器：DTGS KBr，分束器：KBr。
制样方法选择最常使用的溴化钾压片法。将研细的样品与溴化钾粉末混研均匀，放入模具中，压制成透明薄片。因溴化钾在中红外区没有吸收，不会对样品吸收峰产生干扰，因此选用此制样方法进行红外检测。
2.2 实验样品
样品均来自日常检测工作中企业的送样，本次实验选取家用电器产品中常见的非金属材料进行，实验用样品具体如表1所示。
表1 实验用样品 下载原图
3结果与讨论
3.1 聚苯乙烯PS
如图2所示，在3 080 cm-1、3 059 cm-1、3 025 cm-1位置出现3个吸收峰，属于苯乙烯中苯环的伸缩振动和弯曲振动；2 922 cm-1、2 849 cm-1对应的是亚甲基的不对称与对称伸缩振动；1 600 cm-1、1 492 cm-1是由于苯环的环振动所出的吸收峰；苯环上氢原子的面外弯曲振动在907 cm-1、754 cm-1、698 cm-1位置吸收，且698 cm-1的吸收峰强度高于754 cm-1，因此可以推断此样品为聚苯乙烯材质[3]。
3.2 丙烯腈-丁二烯-苯乙烯ABS
ABS是丙烯腈、丁二烯、苯乙烯的三元共聚物，其红外光谱图如图3所示，相比3.1小节中聚苯乙烯PS的红外特征峰外，多了丙烯腈单体，丙烯腈特有峰在2 237 cm-1的-CH的反对称振动，丁二烯单体呈现在966 cm-1的特征峰中。通过此特征峰可以推断此样品是丙烯腈-丁二烯-苯乙烯材质。
图2 PS红外光谱图
图3 ABS红外光谱图
图4 PE红外光谱图
3.3 聚乙烯PE
聚乙烯红外光谱图如图4所示，在2 920 cm-1、2 850 cm-1特征峰由于CH2不对称与对称伸缩振动导致出现吸收峰；CH2弯曲振动会使1 468 cm-1出现吸收峰；在720 cm-1处为无定型聚乙烯CH2面内摇摆振动的吸收峰。根据特征峰推断此样品为聚乙烯材质[4]。
3.4 聚丙烯PP
如图5所示，CH2弯曲振动导致1 457 cm-1出现吸收峰；1 377 cm-1处呈现的CH2弯曲振动谱带；在973 cm-1、1 255 cm-1为CH3面内摇摆振动的特征峰；最有特点的吸收峰是出现在2 956 cm-1、2 921 cm-1、2 871 cm-1、2 841 cm-1位置的四重峰，这是由于CH2和CH3伸缩振动叠加所致，因此可以推断此样品为聚丙烯材质。
在指纹区中841 cm-1、998 cm-1和1 301 cm-1出现的吸收峰可知，此为全同聚丙烯。
图5 PP红外光谱图
3.5 聚碳酸酯PC
如图6所示，吸收峰最强的位置是1 775 cm-1是羰基伸缩振动所出的峰；最有特点的是1 225 cm-1、1 191 cm-1、1 160 cm-1三个连续的吸收峰是由于C-O-C伸缩振动；苯环弯曲振动使1 599 cm-1、1 505 cm-1、1 466 cm-1出现吸收峰；1 079 cm-1、1 012 cm-1是对位取代苯环C-H面内变形；830 cm-1是对位取代苯环C-H面外变形，因此判断此样品是聚碳酸酯材质[5]。
图6 PC红外光谱图
3.6 聚对苯二甲酸乙二醇酯PBT
如图7所示，2 959 cm-1是C-H不对称伸缩振动所出的吸收峰；由于羰基伸缩振动致使1 715 cm-1出现吸收峰；1 269 cm-1吸收峰是由于C-O-C伸缩振动，证明了酯类的存在；729 cm-1是由于对位双取代苯环面外弯曲振动吸收，是对苯二甲酸基团的特征峰，因此可以推断此样品为聚对苯二甲酸乙二醇酯材质。
图7 PBT红外光谱图
3.7 聚酰胺PA
如图8所示，3 308 cm-1为酰胺基NH收缩振动吸收；2 930 cm-1、2 858 cm-1是CH2不对称、对称伸缩振动的吸收峰；酰胺基团有三个特征吸收峰：1 641 cm-1是羰基伸缩振动，称为酰胺I谱带；1 536 cm-1是酰胺基弯曲伸缩振动的组合吸收，称为酰胺II谱带；1 272 cm-1也是酰胺基组合吸收所出现的吸收峰，称为酰胺III谱带，因此推断此样品为聚酰胺材质。
图8 PA红外光谱图
3.8 乙烯-醋酸乙烯酯共聚物EVA
在乙烯-醋酸乙烯酯共聚物的分子链中，乙烯单体和醋酸乙烯酯单体是无规则排列的。如图9所示，有两个波峰最强的尖锐吸收峰2 921 cm-1和2 851 cm-1，这是CH2不对称、对称伸缩振动所致；1 740 cm-1是羰基伸缩振动的吸收峰，1 241 cm-1是酯基不对称伸缩振动的吸收峰、1 021 cm-1是酯基对称伸缩振动的吸收峰，这三个峰可以证实样品中的酯类；720 cm-1属于CH2面内摇摆振动的吸收峰。因此可以推断此样品是乙烯-醋酸乙烯酯共聚物材质。
图9 EVA红外光谱图
4结论
家用电器产品中非金属材料的运用越来越广泛，为确保生产过程中非金属材料使用与产品设计材料一致，需定期进行产品的材质检测，红外光谱检测操作简单，谱图的特征性强，可以对非金属材料进行快速且准确的鉴别，是非金属材料鉴别领域中的首选方法。通过吸收峰的位置、强度可以区分不同的材料，家用电器产品中常见的非金属材料运用溴化钾压片法的红外光谱特征峰如下：
(1)PS的特征峰：3 080 cm-1、3 059 cm-1、3 025 cm-1、1 600 cm-1、1 492 cm-1、907 cm-1、754 cm-1、698 cm-1;
(2)ABS的特征峰：2 237 cm-1、966 cm-1;
(3)PE的特征峰：2 920 cm-1、2 850 cm-1、1 468 cm-1、720 cm-1;
(4)PP的特征峰：2 956 cm-1、2 921 cm-1、2 871 cm-1、2 841 cm-1、1 457 cm-1、1 377 cm-1、973 cm-1;
(5)PC的特征峰：1 775 cm-1、1 505 cm-1、1 225 cm-1、1 191 cm-1、1 160 cm-1、1 012 cm-1、830 cm-1;
(6)PBT的特征峰：2 959 cm-1、1 715 cm-1、1 269 cm-1、729 cm-1;
(7)PA的特征峰：3 308 cm-1、2 930 cm-1、2 858 cm-1、1 641 cm-1、1 536 cm-1、1 272 cm-1;
(8)EVA的特征峰：2 921 cm-1、2 851 cm-1、1 740 cm-1、1 241 cm-1、720 cm-1。
