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(chǎn)品質(zhì)量檢驗研究院，福建 福州 350002；2.國家塑料制品質(zhì)量監(jiān)督檢驗中心，福建 福州 350002)

我國的塑料管道自上世紀(jì)從國外引進以來，經(jīng)過幾十年的發(fā)展，已成為全球最大的生產(chǎn)和消費國，產(chǎn)品所使用的材質(zhì)主要有聚乙烯、聚氯乙烯和聚丙烯。聚丙烯塑料管道廣泛應(yīng)用于民用和工業(yè)用塑料管道兩方面，分別用來輸送生活用水和工業(yè)液體介質(zhì)。

隨著人們對管道產(chǎn)品要求不斷提高，近年來出現(xiàn)了β晶型改性的聚丙烯管道產(chǎn)品，β晶的引入不僅提高了產(chǎn)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(yè)用管道方面得到廣泛應(yīng)用。2017年相繼實施的國家[2-4]、行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)[5,6]均對β晶型聚丙烯產(chǎn)品質(zhì)量做出了相應(yīng)的要求，標(biāo)準(zhǔn)僅對β晶改性的聚丙烯物理力學(xué)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(tǒng)一的方法，本文利用廣角X衍射儀(XRD)測試β晶無規(guī)共聚聚丙烯管件中β含量，研究測試條件對試驗結(jié)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(guī)格型號：dn32 mm S4 90°彎頭，市售。

1.2 主要設(shè)備

X射線衍射儀，Ultima III，日本理學(xué)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(dǎo)致樣品表面晶型轉(zhuǎn)化。

1.4 計算依據(jù)

Turner-Jones[7]曾利用X射線衍射儀研究β-PP中α晶、β晶，發(fā)現(xiàn)α、β晶型的衍射峰通常在2θ為5°～35°范圍內(nèi)出現(xiàn)，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(jié)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(jié)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(fā)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(jié)果列于表1和圖2。

圖2 不同掃描速度X射線測試結(jié)果

結(jié)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(shù)值均不相同，且計數(shù)值呈現(xiàn)出與掃描速度成反比的關(guān)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(shù)下，掃描速度越慢，累積照射到試樣上的X射線數(shù)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(jié)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(jié)果的影響，采用相同測試條件：掃描速度2°/min、發(fā)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(jié)果分別見圖3和表2。

圖3 不同測試功率X射線測試結(jié)果

表2 不同測試功率X射線測試結(jié)果

結(jié)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(shù)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(fā)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?？梢娫跍y試條件允許的情況下提高測試功率可得到更加準(zhǔn)確的測試結(jié)果?？紤]到測試設(shè)備的壽命和測試效果，一般推薦測試功率為測試設(shè)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(jù)黃繼武[9]關(guān)于測試狹縫論述，物質(zhì)衍射峰在20°以下的，測定使用發(fā)散狹縫為0.5°，而防散射狹縫取值一般與發(fā)散狹縫相同，故本試驗采用相同測試條件：掃描速度2 °/min、發(fā)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(shè)置為0.3、4和6 mm，所得圖譜及其分析結(jié)果分別見圖4和表3。

從圖4和表3中接收狹縫的試驗結(jié)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(qū)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(qū)域上的無效信息越多，導(dǎo)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(shù)X射線測試結(jié)果

表3 試樣在不同接受狹縫的試驗結(jié)果

3 結(jié)論

通過上述試驗結(jié)果可知：1)掃描速度影響各晶面的衍射峰強度，當(dāng)掃描速度為2 °/min時，既可得到理想的試驗結(jié)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(zhǔn)確的試驗結(jié)果，可盡量提高測試電壓與電流，推薦測試功率為測試設(shè)備額定功率的80%為宜。3)接收狹縫影響試驗結(jié)果的分辨率和衍射峰強度，接收狹縫設(shè)置為4 mm較為合適。