中空玻璃用密封膠紅外光譜分析

王龍梅 孫夢捷 姚永新

（上海市質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)技術(shù)研究院 上海 201114）

0 引言

隨著玻璃幕墻技術(shù)的發(fā)展，中空玻璃作為建筑節(jié)能產(chǎn)品得到了廣泛的應(yīng)用。密封膠作為中空玻璃的關(guān)鍵原材料，可以阻止中空腔體內(nèi)的氣體不泄漏、防止外部水汽進(jìn)入中空腔體，保持中空玻璃的節(jié)能效果。目前國內(nèi)中空玻璃行業(yè)使用較多的兩種密封膠是雙組份硅酮膠和聚硫膠。硅酮膠是以聚二甲硅氧烷作為主要成分，添加碳酸鈣、甲基硅油以及各種助劑組成的。聚硫膠是以液態(tài)聚硫橡膠作為主要成分，添加碳酸鈣、二氧化錳、鄰苯二甲酸酯以及各種助劑組成的。硅酮密封膠具有良好的抗紫外線和耐高低溫老化性能，適用于隱框或半隱框幕墻玻璃的密封，聚硫密封膠具有較好的耐油性、耐溶劑性和氣密性能，但抗紫外線性能相對較差，適用于有框保護(hù)的中空玻璃及不承擔(dān)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的填充惰性氣體的中空玻璃［1］。由于市場上聚硫膠價(jià)格比硅酮膠高，有些企業(yè)出于降低成本的考慮，常用硅酮密封膠冒充聚硫膠。對中空玻璃檢測實(shí)驗(yàn)室來說，為了對樣品信息進(jìn)行確認(rèn)，需要快速鑒別中空玻璃密封膠為何種類型。密封膠已經(jīng)固化的中空玻璃，單純從外觀上很難區(qū)分是硅酮膠還是聚硫膠。因此能快速鑒別中空玻璃密封膠為何種類型，對于中空玻璃用戶和實(shí)驗(yàn)室檢測人員來說，都是十分有用的。

各種有機(jī)化合物和許多無機(jī)化合物在紅外區(qū)域都產(chǎn)生特征的光譜，紅外光譜法是鑒別有機(jī)聚合物的有效手段。歐盟中空玻璃標(biāo)準(zhǔn)EN 1279-4:2018中，明確規(guī)定了中空玻璃CE認(rèn)證必須提供密封膠材料的紅外光譜圖，該標(biāo)準(zhǔn)要求采用衰減全反射（ATR）紅外光譜法，測試波數(shù)400～4000 cm-1范圍的密封膠紅外光譜［2］。衰減全反射（ATR）法是基于光從高折射率的反射材料進(jìn)入低折射率的材料中時，在二者的界面上，如果入射角大于臨界角，理論上入射光就會產(chǎn)生全反射，實(shí)際上有部分紅外光會穿透進(jìn)樣品，樣品吸收能量后，反射光能量降低，不同波長區(qū)域樣品吸收的能量會不同，全反射光束的能量就會有強(qiáng)有弱，形成與透射光譜類似的紅外譜圖，從而獲得樣品表層化學(xué)結(jié)構(gòu)信息［3］。衰減全反射（ATR）紅外光譜法是一種不需要對樣品進(jìn)行處理的方法，而且反射光譜強(qiáng)度與樣品厚度無關(guān)，非常適合測試固化后的中空玻璃密封膠。

本文收集了不同型號的中空玻璃密封膠樣品，采用衰減全反射（ATR）法測試紅外譜圖，分析了硅酮膠、聚硫膠的主要吸收峰和對應(yīng)的基團(tuán)，指出了中空玻璃用硅酮膠和聚硫膠的紅外光譜特征峰，為中空玻璃用戶、幕墻監(jiān)測和實(shí)驗(yàn)室檢測提供了鑒別中空玻璃密封膠的快速方法。

1 試驗(yàn)樣品和方法

1.1 樣品和制備

試驗(yàn)樣品來自不同企業(yè)生產(chǎn)的、具有不同型號密封膠的中空玻璃樣品，從固化后的中空玻璃外道密封膠外表面，切取表面平整的密封膠樣品。

1.2 儀器和方法

采用PE公司的Frontier型傅里葉紅外光譜儀，使用ATR附件，金屬Ge作為高反射材料，以空氣為背景，掃描波長范圍650～4000 cm-1的紅外光譜，用PE公司的Spectrum軟件對譜圖進(jìn)行處理。

2 結(jié)果與分析

2.1 硅酮密封膠紅外光譜分析

本文選取了8家企業(yè)生產(chǎn)的、型號不同的硅酮密封膠進(jìn)行分析，型號SI-1、SI-2、SI-4、SI-6為國內(nèi)生產(chǎn)企業(yè)的產(chǎn)品，型號SI-3、SI-5、SI-7、SI-8為國外生產(chǎn)企業(yè)的產(chǎn)品。圖1為不同型號硅酮密封膠的紅外光譜圖比較。

圖1 不同型號硅酮密封膠紅外光譜圖比較

由圖1可以看出，不同型號的硅酮密封膠，無論是國內(nèi)生產(chǎn)的還是國外生產(chǎn)的，紅外光譜譜圖都高度相似，吸收峰位置、強(qiáng)度基本一致。

圖2是不同型號硅酮密封膠的主要吸收峰位置。中空玻璃用硅酮密封膠主要成分是聚二甲硅氧烷和碳酸鈣。聚二甲硅氧烷的主鏈為Si-O-Si鍵結(jié)構(gòu)，含有大量的Si（-CH3）2基團(tuán)。

圖2 不同型號硅酮密封膠紅外光譜主要吸收峰位置

通過與聚二甲基硅氧烷和碳酸鈣紅外譜圖的對比，可以分析出硅酮密封膠紅外光譜各主要吸收峰對應(yīng)的基團(tuán)，見表1。

表1 八種型號硅酮密封膠主要吸收峰及對應(yīng)基團(tuán)

Si（-CH3）2基團(tuán)中C-H的彎曲振動在1410～1420 cm-1處 有弱或中等吸收峰，而碳酸鈣中C的C-O鍵伸縮振動在1420 cm-1附近有強(qiáng)寬吸收帶［4］， 二者疊加導(dǎo)致硅酮膠紅外譜圖在1420 cm-1附近有強(qiáng)寬的吸收譜帶，由圖1可以看出，不同型號的硅酮密封膠紅外光譜在1420 cm-1附近，吸收峰位置和強(qiáng)度均有所差異，其原因可能是不同企業(yè)生產(chǎn)的硅酮膠，所用的聚二甲基硅氧烷鏈的長度有所不同，或者作為填充劑的碳酸鈣比例不同。

Si-O-Si鍵的伸縮振動在1000～1100 cm-1處有強(qiáng)吸收帶，當(dāng)硅酮膠的聚合度低時為單峰，隨著聚合度的增加，吸收帶分裂成雙峰或強(qiáng)度接近的吸收帶，分別位于1080 cm-1和 1010 cm-1附近，這個雙峰可以作為鑒別硅酮膠的紅外光譜特征峰。Si（-CH3）2基團(tuán)中的Si-C鍵的伸縮振動和C-H的平面搖擺振動在788 cm-1附近有強(qiáng)吸收峰，這個峰與1080 cm-1和 1010 cm-1附近雙峰可互相印證密封膠是否為硅酮膠。

2.2 聚硫密封膠紅外光譜分析

本文選取4家企業(yè)生產(chǎn)的、型號不同的聚硫密封膠進(jìn)行分析，型號PS-1、PS-2、PS-4為國內(nèi)生產(chǎn)企業(yè)的產(chǎn)品，型號PS-3為國外生產(chǎn)企業(yè)的產(chǎn)品。圖3是不同型號聚硫密封膠的紅外光譜圖比較。

圖3 不同型號聚硫膠紅外譜圖比較

由圖3可看出，不同企業(yè)、不同型號的聚硫密封膠紅外光譜圖十分相似，主要吸收峰位置基本一致。

中空玻璃用聚硫膠是以液態(tài)聚硫橡膠作為主要成分，聚硫橡膠的分子式為：HS -（C2H4O CH2O C2H4S S）n-C2H4O CH2O C2H4SH。圖4是不同型號聚硫密封膠紅外光譜主要吸收峰位置。表2是四種聚硫膠紅外光譜主要吸收峰對應(yīng)的基團(tuán)。

圖4 不同型號聚硫膠紅外光譜主要吸收峰位置

表2 四種型號聚硫密封膠紅外光譜主要吸收峰對應(yīng)的基團(tuán)

聚硫橡膠的分子鏈中含有-O-CH2-O-結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致復(fù)雜的O-C-O伸縮振動吸收，在1000～1200 cm-1區(qū)域有5個強(qiáng)吸收帶，這五個強(qiáng)吸收帶可以作為鑒定聚硫膠的特征峰。與S相連的-CH2-彎曲振動在1150～1450 cm-1區(qū)域會產(chǎn)生一系列尖銳吸收帶，在725 cm-1附近有S-C鍵的伸縮振動吸收峰。同硅酮膠一樣，填料碳酸鈣中的C在紅外光譜中，C-O鍵的伸縮振動在1420 cm-1附近有強(qiáng)寬吸收帶，面內(nèi)彎曲振動在880 cm-1附近有尖銳中等強(qiáng)度的吸收峰，面外彎曲振動在720 cm-1附近有尖銳中等到弱吸收峰。圖4中710 cm-1附近吸收峰是S-C鍵伸縮振動和碳酸鈣中的C-O鍵彎曲振動疊加的結(jié)果。同硅酮膠比起來，聚硫膠在此處的吸收更加尖銳，峰的強(qiáng)度更高。聚硫膠中有鄰苯二甲酸酯作為添加劑，酯類增塑劑的紅外光譜中，C=O鍵的伸縮振動在1725 cm-1附近有強(qiáng)吸收帶，C-O-C鍵的伸縮振動在1280 cm-1處有強(qiáng)吸收峰，圖4的1718 cm-1和 1270 cm-1處的強(qiáng)吸收峰表明聚硫膠中有大量的酯類增塑劑存在，這也是聚硫膠紅外光譜圖區(qū)別于硅酮膠的地方。

3 結(jié)語

衰減全反射（ATR）紅外光譜法，是一種不需要對樣品進(jìn)行處理的方法，只需要從固化后的中空玻璃密封膠上取很小的一塊就可以進(jìn)行紅外光譜測試。不同企業(yè)生產(chǎn)的、不同型號的中空玻璃密封膠，無論是硅酮膠還是聚硫膠，紅外光譜譜圖都高度相似、主要吸收峰位置基本一致。

對中空玻璃用硅酮密封膠來說，ATR紅外譜圖中，1010 cm-1和 1080 cm-1附近的Si-O-Si鍵的吸收雙峰可以作為鑒別硅酮膠的特征峰，788 cm-1附近Si-C鍵的伸縮振動和C-H鍵的平面搖擺振動強(qiáng)吸收峰，可進(jìn)一步佐證是否為硅酮膠。

對中空玻璃用聚硫密封膠來說，1000～1200 cm-1區(qū)域的-O-CH2-O-結(jié)構(gòu)中O-C-O伸縮振動產(chǎn)生的5個強(qiáng)吸收帶可以作為鑒別聚硫膠的特征峰，710 cm-1附近C-O鍵的吸收峰由于受S-C鍵的影響更加尖銳，這是聚硫膠紅外譜圖區(qū)別硅酮膠的另一個特征，1718 cm-1和 1270 cm-1處的酯類強(qiáng)吸收峰可以進(jìn)一步佐證聚硫膠非硅酮膠。