利用X射线衍射仪测量β-PPR管件中β晶含量

赵 波

(1.福建省产品质量检验研究院，福建 福州 350002；2.国家塑料制品质量监督检验中心，福建 福州 350002)

我国的塑料管道自上世纪从国外引进以来，经过几十年的发展，已成为全球最大的生产和消费国，产品所使用的材质主要有聚乙烯、聚氯乙烯和聚丙烯。聚丙烯塑料管道广泛应用于民用和工业用塑料管道两方面，分别用来输送生活用水和工业液体介质。

随着人们对管道产品要求不断提高，近年来出现了β晶型改性的聚丙烯管道产品，β晶的引入不仅提高了产品高温承压能力和抗热变形能力[1]，同时也提高了其低温冲击性能。因此在民用和工业用管道方面得到广泛应用。2017年相继实施的国家[2-4]、行业标准[5,6]均对β晶型聚丙烯产品质量做出了相应的要求，标准仅对β晶改性的聚丙烯物理力学性能做出了具体要求，但如何鉴别β晶型和测定β晶含量尚没有明确统一的方法，本文利用广角X衍射仪(XRD)测试β晶无规共聚聚丙烯管件中β含量，研究测试条件对试验结果的影响，以寻找测定β晶含量可靠的测试方法。

1 实验部分

1.1 试样

β-PPR管件试样：规格型号：dn32 mm S4 90°弯头，市售。

1.2 主要设备

X射线衍射仪，Ultima III，日本理学电机株式会社，X光管为Cu靶。

1.3 样品制备

图1 试样制备示意图

如图1所示，用切片机或刀片将管件管状部分切割成平整的平面，将试样装入槽式装样器，使样品表面与槽面平行。切削过程避免因局部过热导致样品表面晶型转化。

1.4 计算依据

Turner-Jones[7]曾利用X射线衍射仪研究β-PP中α晶、β晶，发现α、β晶型的衍射峰通常在2θ为5°～35°范围内出现，并利用公式(1)对试样中β晶含量进行计算(Kβ)：

式中，Iβ(300)、Iα(110)、Iα(040)和Iα(130)分别为β晶(300)、α晶(110)、(040)和(130)晶面的衍射峰积分强度。

2 结果与讨论

2.1 扫描速度的影响

表1 不同扫描速度X射线测试结果

本试验考察不同扫描速度对X射线衍射测量β-PPR管件的影响。试验采用相同测试条件：电压36 kV、电流30 mA、发散狭缝0.5°、防散射狭缝0.5°、接收狭缝4 mm，改变扫描速度，分别以1，2，8 °/min对试样进行测试，扫描范围为5°～35°，记录衍射角(2θ)约为14.0°、16.8°、18.6°的α晶型的(110)、(040)、(130) 晶面衍射峰及衍射角约为16.0°的β晶型的(300)晶面衍射峰信息。试验结果列于表1和图2。

图2 不同扫描速度X射线测试结果

结果表明，不同扫描速度所测得的α晶型和β晶型同一特征晶面衍射峰强度计数值均不相同，且计数值呈现出与扫描速度成反比的关系，但β晶含量却大致相同。其原因是，在相同测试功率和狭缝参数下，扫描速度越慢，累积照射到试样上的X射线数量越多，探测器接收到的信号越强，所得X衍射谱图衍射峰强度越高。此外，扫描速度对α晶型和β晶型均有影响。这与张杰[8]等人的试验结果是一致的。

2.2 测试功率的影响

本试验考察测试功率对试验结果的影响，采用相同测试条件：扫描速度2°/min、发散狭缝0.5°、防散射狭缝0.5°、接收狭缝4 mm。通过改变仪器工作电压和工作电流，使用以下测试条件：a.工作电压为28 kV、工作电流20 mA；b.工作电压为36 kV、工作电流20 mA；c.工作电压为36 kV、工作电流26 mA；d.工作电压为36 kV、工作电流30 mA测试试样，所得测试及分析结果分别见图3和表2。

图3 不同测试功率X射线测试结果

表2 不同测试功率X射线测试结果

结果表明，随着测试功率的增加，所得到α晶型和β晶型同一特征晶面衍射峰强度计数值均增大，所得到的X射线谱图平滑度也随之提高。其原因是，由于特征X射线的强度正比于工作电压和最低激发电压之差的n次方，又正比于工作电流[9]，因此测试功率越大，累积照射到试样上的X射线强度越高，所得衍射谱图衍射峰强度随之提高。反之，功率较低时，衍射峰强度较低。可见在测试条件允许的情况下提高测试功率可得到更加准确的测试结果。考虑到测试设备的寿命和测试效果，一般推荐测试功率为测试设备的80%为宜[9]。

2.3 测试狭缝的影响

本试验考察测试狭缝对X射线衍射测量β-PPR管件的影响。由于β晶(300)、α晶(110)、(040)和(130)晶面的衍射角(2θ)均在20°以下，依据黄继武[9]关于测试狭缝论述，物质衍射峰在20°以下的，测定使用发散狭缝为0.5°，而防散射狭缝取值一般与发散狭缝相同，故本试验采用相同测试条件：扫描速度2 °/min、发散狭缝0.5°、防散射狭缝0.5°、测试功率为1080W(36 kV，30 mA)。将接收狭缝分别设置为0.3、4和6 mm，所得图谱及其分析结果分别见图4和表3。

从图4和表3中接收狭缝的试验结果可见，接收狭缝尺寸越大，虽然各晶面衍射峰的衍射强度提高，但分辨率却降低。这是由于接收狭缝是用以限制待测角度附近区域上的X射线进入检测器，接收狭缝的尺寸越大，接收的X射线信号越强，但信号中夹杂了所测角度附近区域上的无效信息越多，导致分辨率降低。因此，要得到较高衍射强度和分辨率的衍射曲线，接收狭缝可选取4 mm。

图4 不同狭缝参数X射线测试结果

表3 试样在不同接受狭缝的试验结果

3 结论

通过上述试验结果可知：1)扫描速度影响各晶面的衍射峰强度，当扫描速度为2 °/min时，既可得到理想的试验结果也可以提高测试效率。2)在测试仪器的允许情况下，为得到准确的试验结果，可尽量提高测试电压与电流，推荐测试功率为测试设备额定功率的80%为宜。3)接收狭缝影响试验结果的分辨率和衍射峰强度，接收狭缝设置为4 mm较为合适。