如何使用紅外光譜分析技術對玻璃鋼強度進行監測
依據紅外光譜分析方法得到的典型紅外光譜,光譜帶清晰,特征顯著。本文采用均值聚類方法求得每個波峰對應的特征波數,聚類是將數據集內相似的對象歸到同一個簇中的過程,均值聚類算法中每個簇的中心值為簇中所含數據的均值,特征波數即每個波峰對應的一簇波數的中心值。90℃、150℃老化條件下,樣品材料紅外光譜透過率在不同波數上的分布如圖6所示,通過均值聚類得到兩組樣品的特征波數分別為；2909,2352,1726,1253,1040,905,699(cm-1)3675,2352,2909,1726,1492,1253,1040,905,699(cm-1)。因150℃時,波數3675cm-1處的數據較少,故取試樣的紅外特征波數為2909,2352,1726,1253,1040,905,699(cm-1)。由圖可以看出,90℃下相同波數處紅外透過率分布較為集中,150℃下相同波數處紅外透過率分布較為分散,可知在較高溫度下,不同老化階段,紅外透過率分散性較大。
力學性能與紅外光譜特性相關性
從紅外光譜分析結果可知,玻璃鋼產品隨著老化的時間加長,樹脂材料的主要成分會發生變化,為找到哪個特征波數下紅外光譜透過率與力學性能具有明顯的相關性,分別對150℃ 、90℃ 溫度老化條件下的兩組試件進行材料的紅外光譜透過率與拉伸強度、拉伸模量、彎曲強度、彎曲模量4 個性能參數的相關性分析。
為降低不同樣品制樣和測試環節產生的誤差,對紅外光譜透過率與拉伸強度、拉伸模量、彎曲強度、彎曲模量4 個性能參數均采取相對變化處理,相對變化率即波數*大值點的透過率與實際透過率的比值,4個性能參數的變化率則為實測性能與未老化的性能的比值(例如強度變化率= 實測強度/ 初始強度),紅外光譜透過率變化率與拉伸強度彎曲模量變化率相關系數分別用KT-T 、KT-TM 、KT-B 、 KT-BM 表示。特征波數為2909 、2352 、1726 、1253 、1040 、 905 、699 (cm-1 )處的紅外光譜透過率變化率與力學能變化率相關系數。
從表可以看出,老化溫度90℃ 時,波數2352cm-1 處,材料紅外光譜透過率變化率與拉伸強度變化率相關性較強,約為-0.85 ;采用多項式回歸模型擬合得到數據的一階擬合方程為y=-1.35x+2.52 ,相關系數R2 為0.73 ,二階擬合方程為y=-7.12x2+15.05x-6.92 ,相關系數 R2 為0.74 。其他波數下,材料紅外光透過性變化率與力學性能變化率相關性較差。
基于紅外光譜的材料性能監測方法
玻璃鋼在90℃老化條件下,波數2352cm-1 處拉伸強度度變化率與紅外光譜透過率相對變化率負相關,并且,隨著老化的時間加長,樹脂材料的主要成分會發生變化,而玻璃鋼的拉伸強度下降。據此,可以在生產玻璃鋼產品時,預留相同條件試塊作為樣品,定期進行光譜監測,當主要成分發生變化,且2352cm-1 處紅外光譜透過率發生明顯增加時,玻璃鋼使用性能可以定性評價為不可再用。
監測方法應用舉例:假設連續檢測3次構件的紅外光譜透過率為1.17 、1.175 、1.18 ,通過調用建立紅外光透過性與力學性能變化率關系模型,可知當前拉伸強度保留率約為初期的92%～94% ,進而結合產品的材料性能要求和設計**余量對產品的使用性能可靠性做出判斷。
通過高溫加速老化條件下的力學性能測試和紅外光譜特性測試研究發現,在90℃ 老化條件下,波數 2352cm-1 處玻璃鋼拉伸強度變化率與紅外光透過率相對變化率負相關,受試驗數據樣品數量限制,其他波數位置上以及不同樹脂材料是否存在類似關系須進一步研究驗證。
紅外光譜分析的在用玻璃鋼產品力學性能監測方法,該方法利用玻璃鋼材料的紅外光譜特性和力學性能的相關性,在產品生產過程中預留相同條件樣品,定期對其進行光譜特性測試,通過監測樣品的指定波數上的透過率的相對變化率,實現對在用玻璃鋼產品力學性能監測。
