衰减全反射红外光谱测试用样品固定工具及测试方法与流程

1.本发明属于沥青试验领域，具体涉及衰减全反射红外光谱测试用样品固定工具及测试方法。


背景技术：

2.中红外光谱区为绝大多数有机化合物和无机离子的基频吸收带，不同分子振动、跃迁产生的光谱不同，表现为出峰位置不同，峰的强弱依据分子或官能团含量多少出现高低差异。根据朗伯比尔定律，吸光度与物质浓度及吸收层厚度成正比，使得红外光谱技术成为分析物质化学结构、定量检测的有效手段之一。作为一种材料组成及结构表征方法，红外光谱技术在化学合成及高分子材料领域应用较为普遍。近年来红外光谱技术在交通领域的应用也越来越多，目前已成功应用于sbs改性沥青中改性剂含量测定、石油沥青油源回溯等方面。
3.红外光谱测试中根据光程路径可以分为透射和衰减全反射。与常规投射红外光谱技术相比，衰减全反射红外光谱技术是从光源发出的红外光经过折射率大的晶体再投射到折射率小的试样表面上，当入射角大于临界角时，入射光线就会产生全反射。事实上红外光并不是全部被反射回来，而是穿透到试样表面内一定深度后再返回表面，在该过程中，试样在入射光频率区域内有选择吸收，反射光强度发生减弱，产生与透射吸收相类似图，从而获得样品表层化学成份的结构信息。现有技术中，利用的光透射原理，采用液体池测试液体样品、采用压片法测试浅颜色、易研磨样品，但对一些质地坚硬、研磨困难或颜色较深或有机溶剂溶解较困难的物质通常采用全反射红外光谱技术进行测试。
4.采用衰减全反射红外光谱技术进行测试如煤基超硬质沥青、岩沥青等颜色深且有机溶剂溶解度较低的材料或者其他需要采用atr附件测试的样品时，需要将待检测材料制成粉末并放置在测试晶体上方，通过下压atr压杆使样品与测试晶体紧密接触进行测试，现有的atr测试晶体设置在测试平台中间，与测试平台位于同一平面，而将粉末样品设置在atr测试晶体上方时，通常形成一个锥形的小鼓包，但是现有的atr附件如图1所示，atr压杆100下端为刚性的圆柱形压头101，并且atr压杆100只能机械的下压，无法检测到圆柱形压头101下表面是否全部与样品接触，并且无法检测粉末样品与与测试晶体201是否接触紧密，会导致红外光谱信号较弱，一些吸光度比较小的吸收峰无法显示，进而严重影响测试结果的准确性。此时定性分析误差较大，更是无法进行定量分析。
5.中国专利文献cn214174154u公开了一种快速检测有机化合物的红外光谱仪，包括机体及可拆卸安装在机体上的测量模块，测量模块包括设置在上端面的晶体盘及安装在晶体盘相对位置的压头组件；所述压头组件包括安装在测量模块上的升降机构、设置在升降机构上端的转接套和压力座、及安装在转接套一侧的探头机构。该装置通过升降机构控制探头机构的下降，使压力头与样品接触，转接套的上端插入压力座内，当压力头抵住到样品后，压筒通过弹簧将压力传递到弹板并被压力传感器检测到，升降机构继续下降到合适的压力后，通过压力传感器传递给机体中的控制器，控制器控制驱动电机使升降机构停止下
降，实现atr晶体与样品的紧密接触，使得实验数据更为准确，使用方便，适宜推广。上述专利文献设置了压力传感器，用于监测压力头与样品之间的压力值来判断atr晶体与样品是否接触紧密，只适用于样品上下两面相互平行的硬质材料，对于粉末或颗粒材料，由于压力头为刚性的，而粉末或颗粒材料有一定的压缩比，当被压到一定程度就无法再进一步压实，当压力头下方的粉末或颗粒材料厚度分布不均匀时，则无法保证压力头下表面完全与粉末或颗粒材料接触，存在部分粉末或颗粒材料样品无法被压实导致与atr晶体无法紧密接触的风险，因此仅通过压力值无法精确判定出atr晶体与样品实际的接触情况，且上述专利并没有指出，如何判定在某个压力下能够使样品与检测晶体紧密接触，因此无法保证测试结果的稳定性。


技术实现要素：

6.本发明的目的是提供一种衰减全反射红外光谱测试用样品固定工具及测试方法，本发明利用压力分布监测模块监测样品接触面各处的压力分布以判断样品接触面是否完全与样品接触，更加直观，能够定量分析样品与atr晶体接触的紧密程度，另外测试方法中，在样品接触面与样品完全接触的前提下，通过观察样品红外光谱图中相同位置吸收峰的峰高的变化对最终测试压力值进行限定，以保证atr晶体与样品紧密接触，提高了测试结果的一致性和准确性。
7.为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种衰减全反射红外光谱测试用样品固定工具，包括压头附件和压力分布监测模块，所述压头附件设置有样品接触面，所述样品接触面上设置有压力分布监测模块；
8.所述压力分布监测模块用于监测样品接触面各处的压力分布以判断样品接触面是否完全与样品接触，具体的，当样品接触面各处的压力均大于零时，则说明样品接触面已完全与样品接触，当样品接触面上各处的压力最大值达到设定压力值时，样品接触面仍有压力为零的部位时，则需要调整样品或样品接触面的形状以使样品接触面与样品完全接触。通过监测样品接触面各处受到的压力值即压力分布，样品接触面上受到的最小压力值间接反映出样品与atr晶体间的接触紧密程度。
9.本发明的技术方案还有：所述压头附件为弹性材料，所述压头附件设置有锥形的样品仓，所述样品接触面为样品仓内表面。锥形的样品仓能够与锥形的样品鼓包适配，保证压头附件最大程度的与样品接触，如果采用平板状的压头附件，则会导致压头附件的边缘无法与样品鼓包的边缘接触。随着atr压杆的下压，锥形的样品仓内表面从周围向中心逐步压缩变形与下方样品接触，由于压头附件为弹性材料，弹性材料又名为弹性体材料，弹性体材料在受力发生大变形再撤出外力后能够迅速回复其近似初始形状合尺寸，因此用于本发明中作为压头附件的制作材料，能够实现受力后形变可逆，保证样品接触面各处与下方不同厚度的样品接触。
10.本发明的技术方案还有：还包括真空泵，所述压头附件包括密封套和设置在密封套内侧的真空袋膜，所述密封套和真空袋膜形成密封腔，所述密封套下端面设置有密封条，所述真空泵与密封腔相通；
11.所述样品接触面为真空袋膜下表面。由于真空袋膜为柔性材料，基于真空成型的原理，通过抽真空，能够使真空袋膜紧密接触样品，利用压力差对样品进行压实。
12.本发明的技术方案还有：还包括样品形态调整机构，所述样品形态调整机构包括套设在压头附件外侧的限位套和固定设置在限位套外壁上的振动器，所述压头附件可沿限位套轴向上下滑动，所述振动器相对限位套中心线对称设置；所述振动器能够使限位套产生水平方向的振动；
13.所述样品接触面为压头附件下端面。由于限位套为中空结构，振动器能够带动限位套振动，而限位套产生的震动波则能够使测试台面上的粉末产生振动，从而使样品在限位套内分布均匀，使样品上表面更加平整，从而使样品接触面与样品的完全接触。
14.本发明的技术方案还有：所述压力分布监测模块包括阵列式压力传感器。
15.本发明的技术方案还有：所述阵列式压力传感器包括薄膜压力传感器。薄膜压力传感器厚度低至几百纳米到几十微米，可直接在被测零件表面制膜而不影响设备内部环境，适合各种复杂表面，因为是柔性材料，所以能够弯曲、折叠，适用于检测位置信息、压力分布信息、压力大小信息，在本发明中薄膜压力传感器可随压头附件样品接触面变形而一同变形，从而测量出样品接触面上的压力分布和压力大小，从而判断出样品接触面是否全部与下方粉末样品完全接触。
16.本发明还公开了一种利用上述样品固定工具进行衰减全反射红外光谱测试的方法，包括以下步骤：
17.s1、开启傅里叶变换红外光谱仪，装载atr附件，将样品固定工具安装到atr压杆下方，并设置傅里叶变换红外光谱仪的测试参数；
18.s2、首先进行背景测试，然后将定量的测试样品放置在测试窗口内，样品量要全部覆盖测试窗口内的测试晶体；
19.s3、下压atr压杆，使样品固定工具与测试台面接触，对样品接触面进行施力，直到压力分布监测模块检测到的最小压力示值大于零，记录压力分布监测模块测得的最小压力示值p，测试样品，得到样品红外光谱图；
20.s4、多次调节对样品接触面的施力大小，测试样品，观察样品红外光谱图，当红外光谱图中相同位置吸收峰的峰高不再增加或者满足测试者需要时，则此时对应压力分布监测模块测得的最小压力示值p’作为同一类样品的后续测试的最终压力值。
21.本发明的技术方案还有：步骤s3中，当压力分布监测模块测得样品接触面各处的压力最大值达到设定压力值p0时，样品接触面仍有压力为零的部位时，则调整样品或样品接触面的形状以使样品接触面与样品完全接触。
22.本发明的技术方案还有：步骤s1中开启傅里叶变换红外光谱仪后，待光源稳定20-30min，再进行测试。
23.与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明通过压力分布监测模块监测样品接触面各处的压力分布，能够直接反馈出样品接触面是否完全与下方样品接触。
24.并且为确定粉末样品的紧密度是否满足测试的要求，在样品接触面与样品完全接触的前提下，通过观察样品红外光谱图中相同位置吸收峰的峰高的变化对最终测试压力值进行限定，进而保证atr晶体与样品紧密接触。由于不同粉末样品的压缩性能不同，通过测试不同样品的最终测试压力值，能够为后续相同样品的检测提供数据支持，提高检测的效率以及检测结果的一致性，进而实现定量分析。
25.发明构思：由于实际检测过程中，直接将粉末或颗粒样品铺设在atr晶体上方，并
保证完全覆盖住atr晶体，利用atr压杆下压，使粉末或颗粒样品与atr晶体紧密贴合，但是实际操作过程中，粉末或颗粒样品的铺设不能保证各处厚度均匀，受重力影响样品一般呈锥形，即厚度呈中间厚四周薄分布，而现有的atr压头又为刚性件，下表面为平面，同时粉末或颗粒样品有一定的压缩比，当atr压头下压到一定距离就无法再继续往下运动，导致厚度薄的粉末或颗粒样品无法与atr压头下表面接触，即无法保证所有粉末或颗粒样品与atr晶体紧密接触，导致检测结果不准确，相同的样品检测结果一致性差。
26.本发明利用压力分布监测模块监测样品接触面各处的压力分布以判断样品接触面是否完全与样品接触，更加直观，能够定量分析样品与atr晶体接触的紧密程度，用于保证和提高相同样品检测结果的一致性。
附图说明
27.图1为现有衰减全反射红外光谱测试仪的结构示意图；
28.图2为本发明所述衰减全反射红外光谱测试用样品固定工具的立体图；
29.图3为本发明实施例1所述衰减全反射红外光谱测试用样品固定工具的结构示意图；
30.图4为本发明实施例2所述衰减全反射红外光谱测试用样品固定工具的结构示意图；
31.图5为本发明实施例3所述衰减全反射红外光谱测试用样品固定工具的结构示意图；
32.图6为本发明采用实施例1衰减全反射红外光谱测试方法测试的样品的红外光谱图；
33.图中，100atr压杆、101圆柱形压头、200测试台面、201测试晶体、300旋转支架；
34.1压头附件、2样品接触面、3样品仓、4真空泵；
35.11密封套、12真空袋膜、13密封腔；
36.5限位套、6振动器、7弹性缓冲件。
具体实施方式
37.下面结合附图对本发明进行详细描述：
38.实施例1
39.如图2所示，一种衰减全反射红外光谱测试用样品固定工具，包括压头附件1和压力分布监测模块，所述压头附件1设置有样品接触面2，所述样品接触面2上设置有压力分布监测模块，所述压力分布监测模块为阵列式压力传感器，所述阵列式压力传感器包括薄膜压力传感器。
40.所述压力分布监测模块用于监测样品接触面2各处的压力分布以判断样品接触面2是否完全与样品接触。
41.如图3所示，所述压头附件1为弹性材料，具体选用橡胶材料，所述压头附件1设置有锥形的样品仓3，所述样品接触面2为样品仓3内表面。
42.利用上述衰减全反射红外光谱测试用样品固定工具进行衰减全反射红外光谱测试的方法，具体包括以下步骤：
43.本实施例中，采用本发明提供的固定工具及测试方法进行煤基超硬质沥青的红外光谱测试。
44.s1、测试前准备工作：打开傅里叶变换红外光谱仪，开机20min，待光源稳定后，装载atr附件，具体的，将atr压杆100安装到旋转支架300上，如图3所示，将样品固定工具安装到atr压杆100下方，具体装配方式，压头附件1通过在上端设置与atr压杆100下端匹配的固定孔，直接将压头附件1套设在atr压杆100下方。使用酒精彻底清洁该工具及atr测试窗口中间的金刚石晶体，待溶剂挥发完全后，将其连接到atr附件上，并设置扫描次数、样品信息、测试结果存储位置等内容。
45.s2、首先进行背景测试，然后将待测样品1mg煤基超硬质沥青粉末放置在测试窗口内，样品量全部覆盖测试窗口内的测试晶体201，样品量采用样品重量来进行衡量。
46.s3、转动旋转支架300使压头附件1移动到样品正上方，下压atr压杆100，对压头附件1进行施力，直到压力分布监测模块的最小压力示值大于零，记录压力分布监测模块测得的最小压力示值p1，测试样品，得到样品红外光谱图。
47.利用本实施例提供的样品固定工具时，由于所述压头附件1为弹性材料，并且压头附件1设置有锥形的样品仓3，在下压atr压杆100过程中，样品仓3会被压扁变形，使样品仓3内表面即样品接触面2逐渐贴合下方的样品，从而使样品接触面2与样品完全接触，并且弹性材料能够进行产生弹力对样品进行压缩，使样品与测试晶体201紧密接触。
48.s4、分3次向下调节atr压杆100到测试台面200的距离，重复测试样品，记录对应压力分布监测模块测得的的最小压力示值分别为p2、p3、p4，观察样品红外光谱图，发现当压力为p3和p4时，红外光谱图中相同位置吸收峰的峰高不变，同时相对应的红外光谱图也能清晰的反映煤基超硬质沥青的结构信息。
49.则后续的煤基超硬质沥青测试过程中，控制调节压力分布监测模块测得的最小压力示值达到p3时所对应的接触条件为统一的测试条件，如图6所示，得到了较好的红外光谱图。
50.实施例2
51.与实施例1不同之处在于，如图4所示，样品固定工具还包括真空泵4，所述压头附件1包括密封套11和设置在密封套11内侧的真空袋膜12，所述密封套11和真空袋膜12形成密封腔13，所述密封套11下端面设置有密封条，所述真空泵4与密封腔13相通。
52.所述样品接触面2为真空袋膜12下表面。
53.利用本实施例的样品固定工具进行煤基超硬质沥青的红外光谱测试时，密封套11固定设置在atr压杆100下方，下压atr压杆100直到密封套11下端面的密封条与测试台面200接触，启动真空泵4对密封腔13进行抽真空，从而使真空袋膜12变形紧贴密封腔13内的样品，使样品接触面2与样品完全接触，利用大气压对样品进行压缩，从而使样品与测试晶体201紧密接触。
54.实施例3
55.与实施例1不同之处在于，如图5所示，样品固定工具还包括样品形态调整机构，所述样品形态调整机构包括套设在压头附件1外侧的限位套5和固定设置在限位套5外壁上的振动器6，所述限位套5可沿压头附件1轴向上下滑动，所述振动器6相对限位套5中心线对称设置，以产生更好的振动效果。
56.所述样品接触面2为压头附件1下端面。
57.利用本实施例的样品固定工具进行煤基超硬质沥青的红外光谱测试时，所述压头附件1固定设置在atr压杆100下端，限位套5可上下滑动的套设在atr压杆100上，所述限位套5和atr压杆100之间设置有弹性缓冲件7，所述弹性缓冲件7固定设置在限位套5上，所述弹性缓冲件7为橡胶弹簧，通过下压atr压杆100直到限位套5下端面与测试台面200接触，则此时样品位于限位套5内。
58.在压头附件1下压过程中，同时启动振动器6，振动器6通过振动限位套5能够使限位套5内的粉末状或颗粒状样品分布均匀，随着压头附件1的进一步下压，压头附件1相对限位套5向下运动，样品接触面2与样品之间的距离逐渐减小，则样品受到振动器6振动而活动的范围越来越小，在样品接触面2和限位套5的阻挡下，样品上表面会趋于平整，样品上表面会逐渐贴合样品接触面2，从而实现样品接触面2与样品完全接触。
59.实施例4
60.本实施例中，采用本发明提供的固定工具及测试方法进行不同改性剂含量的sbs改性沥青及煤基超硬质沥青改性沥青(sha)的红外光谱测试。
61.样品固定工具和测试方法与实施例1相同。测试结果如表1所示，
62.表1
[0063][0064]
通过分析红外光谱图中改性剂特征吸收峰峰面积，发现其与改性剂含量有良好的线性关系，说明采用本发明的衰减全反射红外光谱测试方法，具有重复性高的优势。