傅里葉變換紅外光譜法（FTIR）作為一種高效、精確的分析技術(shù)，在環(huán)氧樹脂固化過程監(jiān)測與質(zhì)量控制中發(fā)揮著不可替代的作用。環(huán)氧樹脂作為熱固性高分子材料的代表，其固化程度直接影響最終產(chǎn)品的機械性能、熱穩(wěn)定性和耐久性。根據(jù)國際標(biāo)準(zhǔn)[1]和國家標(biāo)準(zhǔn)[2]，本文介紹了利用傅里葉紅外光譜儀測定環(huán)氧樹脂固化率的具體應(yīng)用案例，展示傅里葉變換紅外光譜儀測定胺固化雙酚A環(huán)氧樹脂和用于3D打印UV固化膠（又稱為UV光敏樹脂）的固化率測試結(jié)果，希望為環(huán)氧樹脂固化率監(jiān)控提供從實驗室研究到工業(yè)生產(chǎn)應(yīng)用的參考。

環(huán)氧樹脂以其優(yōu)異的機械性能、良好的粘接性、出色的耐化學(xué)腐蝕性和電氣絕緣性能，被廣泛應(yīng)用于復(fù)合材料、電子封裝、涂料、膠粘劑等領(lǐng)域。樹脂從液態(tài)或半固態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)楣虘B(tài)的固化是一個復(fù)雜的化學(xué)反應(yīng)過程，這一過程中分子鏈通過交聯(lián)反應(yīng)形成三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。環(huán)氧樹脂的固化過程本質(zhì)上是環(huán)氧基團(tuán)(-CH(O)CH?-)發(fā)生開環(huán)聚合反應(yīng)，形成三維交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的過程。這一過程中，環(huán)氧基團(tuán)的特征吸收峰(通常在915-850 cm?1范圍內(nèi))強度會逐漸減弱，而新形成的醚鍵(C-O-C，約1100 cm?1)和羥基(-OH，約3400 cm?1)吸收峰則會增強。

圖1 胺固化雙酚A環(huán)氧樹脂被胺類固化劑打開環(huán)氧鍵，形成羧酸陰離子和環(huán)氧基。

固化程度（或稱固化率）直接決定了最終產(chǎn)品的性能表現(xiàn)。研究表明，未充分固化的環(huán)氧樹脂會導(dǎo)致材料機械強度降低、耐熱性下降、尺寸穩(wěn)定性差以及耐環(huán)境老化性能減弱等一系列問題。

傳統(tǒng)測定環(huán)氧樹脂固化率的方法包括差示掃描量熱法(DSC)、動態(tài)機械分析(DMA)和凝膠時間測試等，這些方法各有優(yōu)缺點，表1列舉了環(huán)氧樹脂固化率測定主要方法的比較結(jié)果。

表1 環(huán)氧樹脂固化率測定主要方法比較

綜上比較，FTIR方法在測定環(huán)氧樹脂固化率方面具有一些優(yōu)勢和特點，包括：

（1）無損檢測：與差示掃描量熱法(DSC)需要破壞樣品或動態(tài)機械分析(DMA)需制備特定尺寸試樣不同，F(xiàn)TIR-ATR技術(shù)不需要樣品前處理，可繼續(xù)用于其他測試。這一特性對于貴重樣品或生產(chǎn)過程中的在線監(jiān)測尤為重要，例如電子工業(yè)中半固化片、封裝材料等關(guān)鍵部件的固化監(jiān)測，以及風(fēng)電葉片等大型復(fù)合材料制造過程。

（2）高靈敏度：FTIR技術(shù)高靈敏性使其能夠檢測微小的化學(xué)變化，為固化過程提供精確的定量分析?，F(xiàn)代FTIR儀器的檢測限可達(dá)0.1%的固化度變化，遠(yuǎn)高于DSC等熱分析方法。另外，F(xiàn)TIR能夠清晰區(qū)分不同固化溫度(如40℃與70℃)下環(huán)氧樹脂的固化機理差異，發(fā)現(xiàn)低溫固化時有更多羥基參與反應(yīng)，而高溫固化時反應(yīng)體系復(fù)雜度增加。
（3）快速響應(yīng)能力使FTIR特別適合生產(chǎn)現(xiàn)場的質(zhì)量控制：單次測試通常只需30秒至更短的時間。相比之下，DSC測試通常需要10-20分鐘，而DMA測試時間更長。在UV固化膠水等快速固化體系中，F(xiàn)TIR甚至可以實時監(jiān)測秒級固化過程，為工藝優(yōu)化提供直接依據(jù)。某UV固化膠水的FTIR監(jiān)測顯示，固化過程在30秒內(nèi)即可基本完成，這種快速響應(yīng)對生產(chǎn)線上的即時調(diào)整至關(guān)重要。

（4）化學(xué)特異性：FTIR法可以揭示固化反應(yīng)的化學(xué)本質(zhì)，通過分析不同特征峰的演變規(guī)律，可以區(qū)分競爭反應(yīng)路徑、檢測副產(chǎn)物形成或評估添加劑效果。

（5）樣品適應(yīng)性廣：無論是液態(tài)預(yù)聚物、半固化還是完全固化樹脂材料，無論是純樹脂還是填充復(fù)合材料，F(xiàn)TIR都能提供有效的固化信息，另外ATR技術(shù)特別適合表面分析，可評估復(fù)合材料界面區(qū)域的固化狀態(tài)，界面粘接機制。

（6）從經(jīng)濟(jì)性：FTIR測試成本相對較低，無需復(fù)雜樣品制備，不消耗化學(xué)試劑，運行維護(hù)簡單，可滿足多種樹脂體系的測試需求，通過更換附件(如ATR、透射、漫反射等)適應(yīng)不同應(yīng)用場景。綜上比較，傅里葉變換紅外光譜法(FTIR)因其無損檢測、高靈敏度、快速響應(yīng)等優(yōu)勢，逐漸成為監(jiān)測環(huán)氧樹脂固化過程的重要技術(shù)手段。

本文基于國際和國家相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)[1,2]，根據(jù)FTIR測定環(huán)氧樹脂固化率的測試方案，測試了胺固化雙酚A環(huán)氧樹脂和UV固化環(huán)氧丙烯酸酯的固化率，希望為相關(guān)行業(yè)的質(zhì)量控制和工藝優(yōu)化提供參考。

ASTM E168和ASTM E1252：規(guī)定了紅外光譜數(shù)據(jù)的采集、處理和分析方法。

ISO 18473-3：規(guī)定了復(fù)合材料的熱固性樹脂固化行為的測試指南。

GB/T 36384-2018：《塑料環(huán)氧樹脂固化度的紅外光譜測定法》規(guī)定了使用FTIR測定環(huán)氧樹脂固化度的測試條件和計算方法。

在實際測試中，通常采用相對峰比例法來計算固化率。該方法選擇兩個特征峰：一個為參與反應(yīng)的"測量峰"(如環(huán)氧基團(tuán)峰)，另一個為不參與反應(yīng)的"參考峰"(如苯環(huán)骨架振動峰)。通過比較固化前后兩個峰的強度比值變化，計算出固化率。計算公式如下：

固化率(%) =[1-(M'/R')/(M/R)]×100%

環(huán)氧樹脂體系的特征峰選擇應(yīng)基于其化學(xué)組成和固化機理。以最常見的雙酚A型環(huán)氧樹脂/胺類固化劑體系為例，主要的特征峰包括：

環(huán)氧基峰：915-950 cm?1(環(huán)氧環(huán)的C-O-C不對稱伸縮振動)，作為測量峰，隨固化反應(yīng)逐漸減弱。

羥基峰：3400-3500 cm?1(O-H伸縮振動)，隨固化反應(yīng)逐漸增強(新生成的羥基)

苯環(huán)峰：1510 cm?1和1600 cm?1(苯環(huán)骨架振動)，通常選擇1510 cm?1作為參考峰

醚鍵峰：1100-1250 cm?1(C-O-C對稱伸縮振動)，隨固化反應(yīng)逐漸增強

對于不同類型的環(huán)氧樹脂體系，特征峰有如下：

圖2 待測樣品：胺固化雙酚A環(huán)氧樹脂膠(A)和UV固化膠（B）

• 測試樣品：胺固化雙酚A環(huán)氧樹脂膠、UV固化環(huán)氧丙烯酸酯兩組樣品。

• 測試儀器：Zolix FI-RXF100-ATR傅里葉變換紅外光譜儀

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