水质成分分析

[align=center][b]SGS分享：金属材质成分分析简介与OES测试经验[/b][/align][align=center]李笑良[/align]金属材料为什么要测试元素含量,主要是从健康、环保、成本控制单方面去考虑。健康和环保，就是让我们使用的产品对人的身体和环境造成危害和污染；控制成本就是在产品达到预期要求的同时，减少贵重金属的投入量，降低成本。成分分析常用的测试方法常用的测试方法有：湿法分析---将试样制成溶液的分析。分光光度法、容量法、重量法。火花光电直读光谱（OES）---火花台上的样品通过电弧或火花放电激发生成原子蒸气，该蒸气中的原子与离子被激发后产生发射光谱。发射光谱进入到光谱仪的分光室中，色散成各光谱波段。光的强度与待测元素浓度成正比。电感耦合等离子体发射光谱（ICP-OES）---利用氩等离子体产生的高温使试样完全分解形成激发态的原子和离子，由于激发态的原子和离子不稳定，外层电子会从激发态向低的能级跃迁，因此发射出特征的谱线。通过光栅等分光后，利用检测器检测特定波长的强度，光的强度与待测元素浓度成正比。[url=https://insevent.instrument.com.cn/t/yp][color=#3333ff]电感耦合等离子体质谱仪[/color][/url]（[url=https://insevent.instrument.com.cn/t/yp][color=#3333ff]ICP-MS[/color][/url]）---在[url=https://insevent.instrument.com.cn/t/yp][color=#3333ff]ICP-MS[/color][/url]中，ICP作为质谱的高温离子源（7000K），样品在通道中进行蒸发、解离、原子化、电离等过程。离子通过样品锥接口和离子传输系统进入高真空的MS部分，MS部分为四极快速扫描质谱仪，通过高速顺序扫描分离测定所有离子，并通过高速双通道分离后的离子进行检测。[url=https://insevent.instrument.com.cn/t/Wp][color=#3333ff]原子吸收光谱[/color][/url]（AAS）---通过原子化器将待测试样原子化，待测[url=https://insevent.instrument.com.cn/t/Wp][color=#3333ff]原子吸收[/color][/url]待测元素空心阴极灯的光，从而使用检测器检测到的能量变低，从而得到吸光度。吸光度与待测元素的浓度成正比。手持式XRF(X射线荧光光谱分析)---被入射X光提升到激发态的样品，在回复到基态時，所放射的X光荧光，具有因元素种类和含量不同而有不同的波長X光射线的特性。定性半定量。能谱分析EDS---当电子束轰击样品时，在作用体积内激发出特征X射线，各种元素具有各自的X射线特征波长。特征波长的大小取决于能级跃迁过程中释放出的特征能量ΔE。能谱仪就是利用不同元素发射的X射线光子特征能量不同这一特点来进行成分分析的。C/S 仪---在氧气流中燃烧将碳氧化成CO或CO2，将硫氧化成SO2，利用气体对红外吸收光谱的特征吸收进行测量N/O仪---1.在氦气中，用石墨炉坩埚高温熔融试料，氮以分子形态提取在氦气中，与其它气体提取物分离后，用热导法测量。2.在氦气中，用石墨炉坩埚高温熔融试料，试料中的氧以一氧化碳析出，转化成二氧化碳，导入红外检测器进行测定。各方法优缺点比对：[table][tr][td] [align=center]方法[/align] [/td][td] [align=center]优点[/align] [/td][td] [align=center]缺点[/align] [/td][/tr][tr][td] [align=center]湿法分析[/align] [/td][td]每个元素单独检测，干扰少。准确度高，可以检测高含量。[/td][td]时间长，效率低，需要用多种化学试剂，对环境有影响。[/td][/tr][tr][td] [align=center]OES[/align] [/td][td]操作简单，分析速度快，可同时进行多元素定量分析，精度高，检测限低，样品相对破坏小。[/td][td]一种经验相对分析的方法，样品要求平面、无污染，依赖标准物质的匹配性。[/td][/tr][tr][td] [align=center]ICP-OES[/align] [/td][td]对样品形状没有要求，样品用量 少，分析速度快，耐高盐。可以 根据自己的产品设定测试条件。[/td][td]太高（≥10%）或太低（PPB）含量都不能检测。[/td][/tr][tr][td] [align=center][url=https://insevent.instrument.com.cn/t/yp][color=#3333ff]ICP-MS[/color][/url][/align] [/td][td]检出限低、干扰最少、分析精密度高、分析速度快、可进行多元素同时测定。[/td][td]成本高，耐盐性差。[/td][/tr][tr][td] [align=center]AAS[/align] [/td][td]成本低，测试少量元素时速度快。[/td][td]一个样品要检测多个元素时速度 较慢，精度不优于ICP[/td][/tr][/table][table][tr][td]方法[/td][td]优点[/td][td]缺点[/td][/tr][tr][td] [align=center]XRF[/align] [/td][td]无破坏性，快速，简便。[/td][td]某些轻元素不能检测，只 能做定性和半定量。[/td][/tr][tr][td] [align=center]EDS[/align] [/td][td]效率高，快速对分析点作出定性分析，对样品表面无特殊要求，适于粗糙表面分析。[/td][td]分辨率低，只能分析原子序数大于11的元素，局部表面信息，信息深度约为3-5nm，定性或半定量的结果。[/td][/tr][tr][td]C/S & N/O仪[/td][td]精度高。[/td][td]样品的制样要求高。[/td][/tr][/table]湿法分析是化学成分的仲裁方法，OES是现代冶炼、铸造以及其他金属加工企业炉前成分分析使用最广泛的，ICP-OES，[url=https://insevent.instrument.com.cn/t/yp][color=#3333ff]ICP-MS[/color][/url]，AAS对废液或需要溶样的金属元素的成分分析，其他仪器可以在样品状态局限性限制时采用。OES的测试步骤：1.试测样品，看大致的成分；2.选一个与所测样品成分或牌号相近的标准物质C，校准测试仪器；3.选一个比样品的某元素含量高的标准物质A，和一个比样品的该元素含量低得标准物质B，分别测试A,B的元素含量；4.当A,B的测试结果在它们的标定值±U之间时，则认为校准后的仪器可以用于测试该样品。原理示意图：[align=center][img=,690,589]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2018/09/201809031432138515_1777_2883703_3.png!w690x589.jpg[/img][/align][align=left]电极对样品放电，使样品产生发射光谱，光谱通过透镜、光栅等配件导入检测器，检测器检测出光谱强度后导入计算机，计算机算出金属材质成分含量。OES分析金属材质成分时，要求金属材料经过机加工后能得到一个干净无污物且致密的平面，并且直径＞8mm，厚度＞2mm。实验室中常见的可以用OES测试的金属有：Fe基合金：碳钢，合金钢，不锈钢，热作、冷作模具钢，高速工具钢，高铬铸铁。Cu基合金：黄铜，锡青铜，铝青铜，镍白铜。Al基合金：变形铝，铸铝。Sn基合金：无铅锡，锡铅焊料。Zn基合金：3#,5#等锌铝合金。实验室中常见无法用OES测试的金属有：球墨铸铁、粉末冶金产品。这两种类型的产品由于其本身致密性不好，无法用OES测试。某些金属的铸造产品，如铸铝、铸锌，也会出现试样本身有砂孔致密性达不到要求，无法用OES测试。直径要求是因为激发孔是Φ7mm，测试时必须保证完全覆盖，光谱能全部导入检测器中而不会扩散出去；厚度是为了保证激发过程中样品不被击穿，或者因为过热对某些元素的测量造成比较大的影响(Ni)。最常见的就是不锈钢锅、杯、壶，防盗网，发热套等产品，这几类不锈钢产品的厚度一般做的很薄，在做完OES测试后，试样背面出现发黄的现象，这时虽然没有击穿，但是已经对Ni含量的测试造成了相当大的影响了。样品的表面积越小（横截面积、厚度越小），散热就越差，这个情况会导致304不锈钢中Ni含量跳动较大。拿一块304牌号的光谱标准块，用OES连续激发标块表面，激发次数大约七八次以后，可以看到Ni含量的测出值越来越低。做测试时，不建议对同一个样品进行很多次的连续激发。日常测试中，还会遇到这些问题：1.铸铝中Si含量跳动较大。对于铝锭，取样时，建议取1/4处的横截面，然后多次测试，例如测试5个点，给平均值；对于铸铝产品，可以根据客户要求的指定部位多取测试点，或者在测试完成后指出测试部位。2.铸造铝合金平底锅，Si ， Fe等一些元素随着深度一直变化，Si元素变化最大了，从13%一直往下到9%。应与客户沟通，确定测试位置为1/4厚度位置。3.螺丝、螺栓、斧头、锄头等，表面和芯部碳含量会有表较大的偏差，测试时也需要注意打磨深度。下面，再来举一个实例说明实验室用OES测试金属材质成分。某客户需要对焊接管中的焊料进行成分分析：[/align][align=center][img=,202,151]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2018/09/201809031433172292_1250_2883703_3.jpg!w202x151.jpg[/img][/align][align=left]这时我们先将样品制成合适的形状，然后用OES试测出大概含量：[/align][align=center][img=,411,159]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2018/09/201809031433506304_954_2883703_3.jpg!w411x159.jpg[/img][/align][align=left][table][tr][td]元素[/td][td] [align=center]C[/align] [/td][td] [align=center]Si[/align] [/td][td] [align=center]Mn[/align] [/td][td] [align=center]P[/align] [/td][td] [align=center]S[/align] [/td][td] [align=center]Cr[/align] [/td][td] [align=center]Ni[/align] [/td][td] [align=center]Mo[/align] [/td][/tr][tr][td]结果，%[/td][td] [align=center]0.023[/align] [/td][td] [align=center]0.55[/align] [/td][td] [align=center]1.28[/align] [/td][td] [align=center]0.035[/align] [/td][td] [align=center]0.004[/align] [/td][td] [align=center]18.56[/align] [/td][td] [align=center]12.11[/align] [/td][td] [align=center]2.87[/align] [/td][/tr][/table]通过试测结果，我们选择GBW(E)010338作为校准标物，再选择GBW(E)010198,YSBS20313-1-2002，GBW(E)010217，IARM 2G,BS 91F,BSSS4952这六块标准物质作为高低标核查使用，这些标块含量如下:[table][tr][td] [/td][td] [align=center]C[/align] [/td][td] [align=center]Si[/align] [/td][td] [align=center]Mn[/align] [/td][td] [align=center]P[/align] [/td][td] [align=center]S[/align] [/td][td] [align=center]Cr[/align] [/td][td] [align=center]Ni[/align] [/td][td] [align=center]Mo[/align] [/td][/tr][tr][td]GBW(E)010338[/td][td] [align=center]0.024 [/align] [/td][td] [align=center]0.454 [/align] [/td][td] [align=center]0.985 [/align] [/td][td] [align=center]0.032 [/align] [/td][td] [align=center]0.024 [/align] [/td][td] [align=center]18.780 [/align] [/td][td] [align=center]11.680 [/align] [/td][td] [align=center]3.230 [/align] [/td][/tr][tr][td]GBW(E)010198[/td][td] [align=center]0.045 [/align] [/td][td] [align=center]0.620 [/align] [/td][td] [align=center]1.240 [/align] [/td][td] [align=center]0.034 [/align] [/td][td] [align=center]0.012 [/align] [/td][td] [align=center]18.740 [/align] [/td][td] [align=center]8.160 [/align] [/td][td] [align=center]0.142 [/align] [/td][/tr][tr][td]YSBS20313-1-2002[/td][td] [align=center]0.012 [/align] [/td][td] [align=center]0.526 [/align] [/td][td] [align=center]1.430 [/align] [/td][td] [align=center]0.034 [/align] [/td][td] [align=center]0.026 [/align] [/td][td] [align=center]17.150 [/align] [/td][td] [align=center]12.830 [/align] [/td][td] [align=center]2.420 [/align] [/td][/tr][tr][td]GBW(E)010217[/td][td] [align=center]0.024[/align] [/td][td] [align=center]0.33[/align] [/td][td] [align=center]0.836[/align] [/td][td] [align=center]0.039[/align] [/td][td] [align=center]0.015[/align] [/td][td] [align=center]16.27[/align] [/td][td] [align=center]10.2[/align] [/td][td] [align=center]2.00[/align] [/td][/tr][tr][td]IARM 2G[/td][td] [align=center]0.050[/align] [/td][td] [align=center]0.29[/align] [/td][td] [align=center]1.82[/align] [/td][td] [align=center]0.029[/align] [/td][td] [align=center]0.026[/align] [/td][td] [align=center]18.2[/align] [/td][td] [align=center]8.3[/align] [/td][td] [align=center]0.30[/align] [/td][/tr][tr][td]BS 91F[/td][td] [align=center]0.060 [/align] [/td][td] [align=center]0.381 [/align] [/td][td] [align=center]0.762 [/align] [/td][td] [align=center]0.022 [/align] [/td][td] [align=center]0.0071 [/align] [/td][td] [align=center]16.34[/align] [/td][td] [align=center]0.40 [/align] [/td][td] [align=center]0.112 [/align] [/td][/tr][tr][td]BSSS4952[/td][td] [align=center]0.347 [/align] [/td][td] [align=center]0.660 [/align] [/td][td] [align=center]0.410 [/align] [/td][td] [align=center]0.016 [/align] [/td][td] [align=center]0.003 [/align] [/td][td] [align=center]13.150 [/align] [/td][td] [align=center]0.230 [/align] [/td][td] [align=center]0.049 [/align] [/td][/tr][/table]经过校准和高低标核查以后，我们就可以对样品进行测试了，测试至少两个点，给出平均值，作为报告中的结果：[table][tr][td]元素[/td][td] [align=center]C[/align] [/td][td] [align=center]Si[/align] [/td][td] [align=center]Mn[/align] [/td][td] [align=center]P[/align] [/td][td] [align=center]S[/align] [/td][td] [align=center]Cr[/align] [/td][td] [align=center]Ni[/align] [/td][td] [align=center]Mo[/align] [/td][/tr][tr][td]结果，%-1[/td][td] [align=center]0.020[/align] [/td][td] [align=center]0.053[/align] [/td][td] [align=center]1.30[/align] [/td][td] [align=center]0.033[/align] [/td][td] [align=center]0.005[/align] [/td][td] [align=center]18.44[/align] [/td][td] [align=center]11.88[/align] [/td][td] [align=center]2.79[/align] [/td][/tr][tr][td]结果，%-2[/td][td] [align=center]0.021[/align] [/td][td] [align=center]0.055[/align] [/td][td] [align=center]1.29[/align] [/td][td] [align=center]0.032[/align] [/td][td] [align=center]0.006[/align] [/td][td] [align=center]18.49[/align] [/td][td] [align=center]11.93[/align] [/td][td] [align=center]2.82[/align] [/td][/tr][tr][td]平均值，%[/td][td] [align=center]0.020[/align] [/td][td] [align=center]0.054[/align] [/td][td] [align=center]1.30[/align] [/td][td] [align=center]0.032[/align] [/td][td] [align=center]0.006[/align] [/td][td] [align=center]18.46[/align] [/td][td] [align=center]11.90[/align] [/td][td] [align=center]2.80[/align] [/td][/tr][/table][/align]

文/肖婉艳（华测检测） 以高分子化合物为主、添加各种添加剂而构成的材料叫高分子材料，高分子材料为混合物。高分子材料包括塑料、橡胶、纤维、涂料、胶黏剂等一系列产品，在人们的生产和生活中无处不在。随着人们对高分子材料研究的不断深入，高分子材料将在未来发挥更大的作用。 高分子材料通常由主体树脂和添加剂组成，纯树脂的用途是非常受限的，经过改性才能扩大高分子材料的应用。高分子材料的改性就是设法改变原有的高分子材料的化学组成和结构，改善和提高其性能，从而实现高分子材料从单项性能优良向多项性能及综合性能良好发展。通常来讲，主体树脂决定高分子材料的基本性能，通过添加不同的添加剂改善高分子材料耐老化、阻燃、耐磨、增强等性能。由此可见，了解高分子材料的成分组成是高分子材料的性能研究及改进的基础。 目前，高分子材料已遍及航空航天到家用电器的各个领域，高分子材料的复合化发挥了不同材料的优点，克服了单一材料的缺点和不足，提高经济效益，使高分子材料的应用更为广泛。由于高分子材料本身的特性，为了确保产品的耐久性与高品质，高分子材料成分分析成为生产、研发、品质控制过程中常见的需求。成分分析可以了解未知物质成分，改善产品的性能，为配方分析和产品失效分析提供依据。 高分子材料成分分析是将原料或制品通过多种技术分离，利用高科技分析仪器进行表征，技术人员对检测结果进行逆向推导，最终完成对待检样品未知成分定性、定量分析的过程。由此可见，高分材料成分分析是一种综合分析的技术手段，目前行业内没有统一的关于高分子材料成分分析的标准。 高分子材料成分分析是在以下几个方面建立起来的：一是较为先进的检测设备，这些设备包括FTIR、TGA、DSC、HPLC、核磁、元素分析仪等，每种仪器能实现的目的不一样，熟悉各种仪器的能力范围及局限性是高分子材料成分分析的基础；二是针对性的分离手段，高分子材料通常是由各种化合物共混而成的复合材料，借助萃取、灰化等分离手段可以实现不同组分之间的分离，使得成分分析更加全面细致；三是具有丰富行业知识和理论知识的技术人员，高分子材料成分分析不仅要求技术人员熟悉相关仪器分析和分离手段，同时要求熟悉材料的常见配方及生产工艺。 虽然高分子材料成分分析没有统一的标准，但是经过多年的研究总结，高分子材料成分分析的基本流程如图1所示。高分子材料成分分析首先需要了解样品的基本信息(外观、气味、元素、主材质等)，根据以上基本信息制定分离方法和仪器分析手段，最后综合分析所有分离结果和仪器分析结果得到样品的成分列表。下面介绍一些常见的分析仪器和分离手段，可供相关领域人士参考。[img=,608,649]http://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2017/08/201708111418_01_3051334_3.jpg[/img][align=center]图 1[/align][b]1．红外光谱法(FTIR)[/b]红外光谱是借助红外吸收带的波长位置与吸收带的强度和形状来表征分子结构，主要用于鉴定未知物的结构或用于化学基团及化合物的定性鉴定。又因红外吸收带的吸收强度与分子组成或其化学基团的含量有关，故也可用来进行定量分析和化合物纯度鉴定。目前红外检测主要还是用于定性分析，通常将试样的谱图与标准物的谱图或文献上的谱图进行对照，也可采用计算机谱库检索，通过相似度来识别。[b]2．[url=https://insevent.instrument.com.cn/t/Mp]气相色谱[/url]-质谱联用法(GC-MS)[/b]GC-MS主要用于高分子材料中助剂的分离、定性及定量。一般是将高分子材料中的助剂与树脂分离后，通过[url=https://insevent.instrument.com.cn/t/Mp]气相色谱[/url]柱将不同助剂进行分离，再与质谱中标准谱图对照进行定性，结合标准样品进行定量。[b]3．热重分析法(TGA)[/b]热重分析是在程序控温下，测量样品的重量随温度或时间的变化。高分子材料随着温度升高发生分解、氧化、挥发等，并伴随着质量的变化，通过记录质量与温度的关系结合其他仪器分析结果推断发生质量变化原因，对主要成分、添加剂、填料、炭黑等进行定量。[b]4．差式扫描量热法(DSC)[/b]DSC是程序控温条件下，直接测量样品在升温、降温或恒温过程中所吸收或释放出的能量。高分子材料随着温度升高发生物理变化并伴随着热流的变化，通过记录热流与温度的关系来检测发生的物理变化，如熔点、玻璃化转变温度等，实现对材料的定性。[b]5.元素分析法(XRF)[/b]X-射线激发高分子材料表面元素使其发生能带跃迁，后又回到基态发射荧光，通过检测发出的荧光对高分子材料中的部分元素进行定性及半定量，这种方法简单易操作，可用于高分子材料基本信息的确认。[b]6.灰化[/b]灰化是在高温条件下将有机物分解掉，得到不再分解的无机物。高分子材料通常会添加玻纤、二氧化钛、碳酸钙、滑石粉等无机物来改性，将高分子材料按照规定的条件(温度、时间)进行灼烧，可以将这些无机物分离出来，进一步实现这些化合物的定性定量。[b]7.萃取[/b]萃取是利用[url=http://baike.baidu.com/item/%E7%B3%BB%E7%BB%9F][color=windowtext]系统[/color][/url]中[url=http://baike.baidu.com/item/%E7%BB%84%E5%88%86][color=windowtext]组分[/color][/url]在[url=http://baike.baidu.com/item/%E6%BA%B6%E5%89%82][color=windowtext]溶剂[/color][/url]中不同的[url=http://baike.baidu.com/item/%E6%BA%B6%E8%A7%A3%E5%BA%A6][color=windowtext]溶解度[/color][/url]来[url=http://baike.baidu.com/item/%E5%88%86%E7%A6%BB][color=windowtext]分离[/color][/url][url=http://baike.baidu.com/item/%E6%B7%B7%E5%90%88%E7%89%A9][color=windowtext]混合物[/color][/url]的操作。萃取是高分子材料分离的常用手段，根据目的和萃取形式的差异，萃取通常有超声萃取、回流萃取、索氏萃取、溶解-沉淀等方法。超声萃取是利用超声波的能量将高分子材料中的抗氧剂、润滑剂、增塑剂等提取出来，是一种常见的萃取方法；回流萃取是通过高分子材料与沸腾的溶剂接触，缩短萃取时间，提高萃取效率；索氏萃取是利用溶剂回流和虹吸原理，使高分子材料每一次都能被纯的溶剂萃取，极大的提高萃取效率；溶解-沉淀是选择合适的溶剂将聚合物和有机助剂溶解，将有机物和无机物分离，将上层清液倒出，加入析出溶剂将聚合物析出，从而实现一步分离聚合物、无机助剂和有机助剂。 以上是高分子材料成分分析常见的仪器分析方法和分离方法，除此之外，还有很多设备和分离方法可以采用。具体分析时该运用什么样的方法，与待分析样品的成分体系、设备的配备情况及个人的目的息息相关。华测拥有大批世界顶级的仪器设备和技术资源，可以为客户解决生产、流通和使用过程中遇到的技术问题。