现代分析仪器在涂料产品研发及品控中的应用
涂料工业的快速发展推动市场对产品性能与个性化需求不断提升，各类现代分析仪器在涂料研发和质量控制环节中正发挥着不可或缺的作用。目前常用的现代分析仪器有热分析仪、X光谱、气相色谱、液相色谱、凝胶色谱、红外光谱、扫描电镜、电化学阻抗谱等，这类仪器能提供精准的成分分析数据，并且深入解析涂料的元素组成、结构特征及固化机理，为研究人员在配方优化、工艺改进和性能提升等多个方向上提供了重要的技术支撑。
本文将主要围绕热分析、光谱分析、色谱分析及红外分析这4种技术，探讨这些分析仪器在涂料领域的实际应用场景及其作用，为研发及品控人员解决在应用过程中如何选择适宜仪器设备的问题。
1 热分析仪器在涂料中的应用
常用的热分析技术主要有差示扫描量热（DSC）和热重分析（TGA）两种方法。这两种方法各自具备不同的特点，前者用于考察材料的热性质及相变行为；后者能够精确测量材料在升温过程中的质量变化。研究人员通过监测涂料固化过程中的热特性变化，能够有效地对涂料的固化度以及最终涂层的性能指标加以评估。
1.1 差示扫描量仪（DSC）的应用
1.1.1 工作原理及应用特点
热分析技术在涂料领域里有着广泛的应用。差示扫描量热法（DSC）作为其中一种颇为重要的热分析仪器，主要是借助热补偿的原理来对样品热行为进行精准测量。在对样品的加热过程中，一旦样品出现吸热或者放热效应（比如熔化、结晶、分解等情况），那么它的温度就会明显地比参比物低或者高。仪器的检测系统会通过自动去调节补偿功率，以此让样品跟参比物的温度能够一直维持在一致的状态，所记录下来的功率差值能够直接对应样品的焓变情况。
由于它具有样品用量少、适用面广、信息丰富及定量准确等特点，在涂料检测领域中得到广泛应用，主要用来检测样品的热性能包括热反应、热稳定性、热降解性等，在实际应用过程中可测试金属锌含量[1]、测试粉末涂料的热性能，并用于评估防火涂料的热降解行为与阻燃机制，探究其热释放特性[2]等。
1.1.2 应用实例
1.1.2. 1 富锌涂料中金属锌含量的测定
以70%环氧富锌涂料为例，按照标准HG/T 3668—2020《富锌底漆》中附录A的方法进行测定，具体结果如图1所示。
图1环氧富锌涂料的DSC图
Fig.1 DSC Thermogram of Epoxy Zinc-rich Coatings
通过计算富锌涂料试样熔融热与纯锌熔融热的比值来确定金属锌含量，该方法被认定为仲裁法。根据图1计算所得，该涂料中金属锌的含量达到72.6%。此方法相比化学法快速便捷且准确，在实际生产过程中为富锌涂料的产品监控提供了依据。
1.1.2. 2 粉末涂料的热分析
图2为某一粉末涂料的DSC的测试结果，该结果能够精准测定粉末涂料的固化起始温度为124.49℃、固化峰值温度为153.63℃以及固化结束温度为188.89℃，这些关键数据为生产线上的施工工艺设定提供了直接的参考依据。
图2粉末涂料的固化过程DSC图
Fig.2 DSC Thermogram of Powder Coatings Curing Process
图3为粉末涂料固化后涂层的DSC谱图，由图3可知，固化后涂膜的玻璃化转变温度为99.40℃。在后续的升温阶段，涂层仍然释放出少量热量，结合图2的数据可计算出该涂料的固化度为96.2%。
1.2 热重分析仪（TGA）的应用
1.2.1 工作原理及应用特点
热重分析仪是一种能够检测样品在程序温控过程中精准测量质量变化的仪器，可以用惰性气体氮气进行热稳定性、热降解分析，也可以采用空气或者氧气进行热氧反应分析。通过这种温度–质量变化曲线，进而验证了材料的热分解机制及其热稳定性表现。热重分析仪凭借高精度、良好的重复性和简便的操作流程，使其在涂料热性能研究领域中具有重要价值。
研究人员借助TGA分析仪可以筛选出合适的耐高温树脂与颜填料助剂配方，从而确保涂料在高温环境下的应用性能能够得到满足。一般来说，涂料的热分解过程呈现一定的规律性：第一阶段为溶剂挥发，接着树脂基体逐步分解，最后颜填料参与分解反应[3]。研究人员通过系统分析涂料在各阶段的热失重数据，可以大致估算出溶剂、树脂及颜填料的比例，对配方设计具有重要的参考价值。
1.2.2 应用实例
图4展示了粉末涂料的热重分析（TGA）曲线。该曲线显示，材料的第一次热分解阶段发生在248～465℃，主要为树脂的分解；第二次分解在465～625℃，主要为颜填料的分解；第三次分解在625～791℃，主要是残留的无机颜填料分解，此后样品质量基本保持稳定。为未知粉末涂料的树脂、颜填料含量分布提供了指导以及粉末涂料的热降解性能提供了依据。
图3粉末涂料固化后涂层的DSC图
Fig.3 DSC Thermogram of Cured Powder Coatings Film
图4粉末涂料的TGA谱图（绿色为TGA曲线）
Fig.4 TGA Thermogram of Powder Coatings (Green Curve:TGA)
2 X射线光谱分析仪器在涂料中的应用
常用的X射线分析方法有XRF(X射线荧光光谱）和XRD(X射线衍射光谱），它们在基础原理方面有着显著差异，但是各自又具备独特的优势。因此，在实际分析工作中，研究人员常常需要依据具体的检测目标来选择最适宜的测试方法。
2.1 XRF分析的应用
2.1.1 工作原理及应用特点
X射线荧光光谱（XRF）技术利用高能量X射线轰击样品，激发出样品原子内层的电子，外层电子在跃迁填补空位的过程中，会释放出具有特定元素能量属性的X射线荧光。这些特征能量值有着唯一性和确定性，研究人员通过分析特征峰的位置和强度，就能够判断样品内部包含的元素成分，还能完成对样品的定性及半定量检测分析工作。这项技术在涂料成分分析以及产品质量问题排查以及RoHS排查等领域有着重要的实际应用价值。XRF技术的应用核心聚焦于测定物质的整体元素含量，它具备较高的精度与稳定性，这些优势让它常被用于生产线里批量样品的快速筛查工作。
X射线荧光光谱仪（XRF）主要有波长色散X荧光光谱仪（WDXRF）和能量色散X荧光光谱仪（EDXRF）。WDXRF在分辨率、精度与灵敏度方面均有突出表现，特别适合于分析轻元素及复杂试样，但是仪器价格昂贵，使用过程中对环境条件和维护保养要求很高。相对而言，EDXRF具有体积紧凑、分析迅速、成本较低以及维护简便等多方面特点[4]。XRF能够迅速且高效地辨别涂料中潜在的有害化学物质，有利于从源头保证产品的环保性及安全性，满足相关法律法规的要求。XRF的特点在于分析速度快、不损坏样品及同时测定多个元素等，在涂料产品成分分析中得到了广泛应用。
2.1.2 应用实例
运用日本岛津EDX仪器测试环氧富锌涂料RoHS实例。在涂料重金属RoHS检测方面，本法可适用于铅、镉、汞、六价铬等有毒元素的快速检测，满足日常生产中的快检需求，并为环保部门提供了有效技术支持。
图5为环氧富锌涂料的EDX谱图，表1为环氧富锌涂料的RoHS判定结果，从图5及表1中的结果可知，此环氧富锌涂料中的5种有害元素的重金属含量根据RoHS法规可判定合格。在品控过程中可以快速筛选环保的原材料，及把控成品的重金属含量是否超标，这也为涂料行业的绿色可持续及环保合规发展提供了科学依据。
图5环氧富锌涂料的EDX谱图
Fig.5 EDX Spectrum of Epoxy Zinc-rich Coatings
表1环氧富锌涂料RoHS判定结果
Table 1 RoHS Results of Epoxy Zinc-rich Coatings
2.2 XRD技术的应用
2.2.1 工作原理及应用特点
XRD技术会采用一束单色的X射线来照射样品。在这个过程中，要是X射线的波长、入射角和晶面间距能够符合布拉格定律的话，那么就会出现相长干涉的情况，进而产生衍射峰。研究人员通过对这些衍射峰的角度以及强度展开分析，便能够推测出晶体的晶面间距、晶体结构还有物相种类等方面的信息。该技术不但能够用于物相鉴定，而且还能凭借精确分析获取到晶格参数、结晶度等一系列重要的结构信息，进而明确究竟是哪种物质，以此给涂料性能的研究给予深层次的数据方面的支撑[5]。
在实际应用场景中，XRF技术总是和XRD技术一起被采用，前者可以提供材料中的元素信息，后者可得到材料的整体物相结构，并且两者共同完成对材料微区成分以及物相结构的综合表征。研究涂层老化产物的过程中，先利用XRF技术发现在某处有异常元素聚集，之后XRD分析出这些异常富集区生成了某种氧化物或者盐类物质，将两种技术结合起来，能够更加准确地研究在复杂的环境中涂层表面发生的物相变化过程，对于改善涂层耐久性提供了重要支撑作用。
2.2.2 应用实例
王玉鹏[5]等利用XRD技术对钛白样品进行定性定量分析，通过计算得到金红石型与锐钛型两种晶型钛白粉的比率。
李杨[6]等先用XRD分析出未知物质为MgO及Mg、Mn金属间化合物。再利用扫描电子显微镜观察样品外形，用能谱仪分析微区成分。结合上述XRD结果，分析出白色未知物成分为MgO。
3 色谱分析仪器在涂料中的应用
色谱分析仪器按照流动相来分，分为气相色谱与液相色谱，包括下文提及的凝胶色谱也属于液相色谱的一种。在涂料行业中，气相色谱一般应用于溶剂纯度分析、涂料中VOC检测；液相色谱一般应用于涂料中助剂、单体含量分析；凝胶色谱一般应用于涂料中树脂分子大小及分布等。
3.1 气相色谱仪的应用
3.1.1 工作原理及应用特点
气相色谱是一种以惰性气体当作流动相，同时具备定性以及定量功能的一种分离技术，特别适合用来检测可汽化并且沸点通常低于400℃的样品。其关键原理在于借助待测混合物中各个组分在固定相和流动相之间所存在的分配系数方面的差异，在气态流动相的推动作用之下展开反复多次的分配操作，进而达成各个组分的分离效果。从进样开始一直到某一个组分峰的最大值出现的间隔时间，被称作“保留时间”，这是定性分析关键依据；而峰面积或者峰高和样品当中该组分的含量呈现出正比例关系，则构成了定量分析同样十分关键的依据[7]。
气相色谱是凭借它高分离效能而且定性定量的特性，在涂料成分分析方面所发挥的作用变得日益重要起来。在涂料配方的开发工作当中、在原材料的检验环节以及在产品质量控制的过程中都得到了广泛的运用。
3.1.2 应用实例
3.1.2. 1 丁醇溶剂的气相色谱
图6为丁醇溶剂的气相色谱图，可看出保留时间为9.053 3 min的色谱峰对应丁醇的峰，其余峰为杂质峰，采用归一化法计算后得出丁醇纯度为99.8%，如此便能够确保产品的质量保持稳定的状态。
图6丁醇溶剂的气相色谱图
Fig.6 Gas Chromatogram of Butanol Solvent
3.1.2. 2 标准中气相色谱法的应用
在涂料当中针对挥发性有机化合物（VOC）展开检测的时候，GB 30981.1—2025以及GB 30981.2—2025这两项标准，分别对建筑涂料和工业涂料的有害物质限量做出了相关规定。其中GB/T 23986.2—2023《色漆和清漆挥发性有机化合物（VOC）和/或半挥发性有机化合物（SVOC）含量的测定第2部分：气相色谱法》，则是清楚地指出了运用气相色谱法来测定VOC含量的具体方法；GB/T 41953—2022《色漆和清漆涂料中水分含量的测定气相色谱法》中的气相色谱法搭配热导检测器（TCD）可用于检测水性涂料及其原材料中的水分含量；而GB/T 23990—2009《涂料中苯、甲苯、乙苯和二甲苯含量的测定气相色谱法》中，采用火焰离子化检测器（FID）可以检测溶剂型涂料及水性涂料内苯、甲苯、乙苯和二甲苯等苯系物的含量；GB/T 23992—2009《涂料中氯代烃含量的测定气相色谱法》采用电子捕获检测器（ECD），可以检测涂料以及其原材料里的二氯甲烷、二氯乙烷、三氯甲烷、三氯乙烷、四氯化碳以及其他种类的氯代烃成分。
3.1.3 气相色谱–质谱联用技术发展（GC-MS)
随着联用技术不断发展及进步，气相色谱–质谱联用（GC-MS）在复杂体系分析领域中凸显出了其独特的优点。这项技术把气相色谱所具有的分离能力以及质谱具备的结构解析能力都整合到一起，该技术有着高效的分离效率以及快速的分析速度，并且还拥有良好的灵敏度以及选择性，能够同时针对多组分展开定性以及定量方面的分析操作。
在GB/T 30646—2014《涂料中邻苯二甲酸酯含量的测定气相色谱/质谱联用法》以及GB/T 41764—2022《辐射固化涂料中光引发剂含量的测定气相色谱–质谱联用法》这两项标准当中，明确规定了运用GC-MS法来测定涂料里邻苯二甲酸酯还有光引发剂的具体操作方法。凭借质谱所提供的化合物碎片方面的信息，能够达成对目标物较为精准的定性分析以及定量分析，尤其在面临复杂基质所造成的干扰情况时，其表现格外出色。它能够有效地克服干扰去识别那些含量极微的有害物质，从而满足当下愈发严格的环保法规方面的要求。
王丹[8]利用热裂解气质联用色谱技术，凭借高效率、高灵敏度且无需前处理等优势来进行涂料中原材料树脂、助剂等结构成分的解析。并且还可以针对涂膜缺陷进行检测，科学找出产生缺陷的原因（文章中通过检测，分析出主要由于密封胶中邻苯类增塑剂迁移的原因导致了基材应力发生变化，涂膜出现起泡等缺陷）。
3.2 液相色谱仪的应用
3.2.1 工作原理及应用特点
液相色谱仪具有高效的分离功能以及很好的重现特性，在涂料工业方面有着一定的应用价值。它主要是依靠固定相和流动相二者之间存在的分配系数差异来实现各组分的分离，并且特别适合用来分离具有高沸点、呈强极性状态以及存在热不稳定性情况的化合物。在液相色谱仪当中，高效液相色谱（HPLC）还有超高效液相色谱（UPLC）会运用更细小粒径的填料以及更高的系统泵压力，大大提升分离速度及效率。
3.2.2 应用实例
高效液相色谱法（HPLC）在分析涂料体系里的各类功能助剂方面有着广泛的应用。李秀娟[9]等将水性涂料稀释并用2,4–二硝基苯肼（DNPH）进行衍生化处理后，再借助高效液相色谱来检测水性涂料当中的游离甲醛含量。
姚帮本[10]等凭借高效液相色谱，利用C30烷基硅烷色谱柱、可采集光谱的二极管阵列检测器，选用合适的分析条件，成功地测定出水性涂料中苯、甲苯、乙苯、二甲苯含量，并且有效分离出二甲苯的异构体。
3.3 凝胶色谱的应用
3.3.1 工作原理及应用特点
凝胶色谱（GPC），也称为尺寸排阻色谱（SEC），主要依据分子尺寸以及流体力学体积方面的差异，对聚合物以及大分子物质展开分离与表征，属于一种极为重要的分析手段。在常规的GPC体系当中，通常选用四氢呋喃（THF）当作流动相，搭配示差折光检测器（RI）来使用。样品组分会按照分子量从高至低的排序依次实现分离，利用一组已知分子量的标准品所得到的校正曲线，便能够计算得出样品的分子量以及分子量分布的相关信息。
在涂料产品品控以及研发环节里起到极为关键的作用。余伟[11]等采用凝胶色谱（GPC）对不同种类和不同生产工艺所制得的醇酸树脂制成的醇酸涂料，考察了包括干燥时间、铅笔硬度、贮存稳定性、光泽度等诸多方面的物理性能，从而对比筛选出相对分子质量及其分布都较为合适的醇酸树脂。
3.3.2 应用实例
GPC图谱能够直观展示树脂的分子质量及其分布情况，为判断树脂质量提供依据。以不同批次的丙烯酸树脂9851为例，凭借GPC图谱能够直观地对各个批次丙烯酸树脂分子量分布所呈现出的均一性以及重复性加以比较，这一指标对确保涂料性能的稳定性至关重要。
由图7以及表2中的谱图及数据可知，各批次样品的数均分子量（Mn）、重均分子量（Mw）和Z均分子量（Mz）数值相近，这3个批次产品的相对分子质量及其谱图分布情况大体上保持一致，说明该产品的生产工艺具有良好的批次间稳定性。
4 红外光谱在涂料中的应用
4.1 工作原理及应用特点
红外光谱主要原理是当样品受到红外光照射时，样品中的分子会吸收一定频率的红外光辐射，转换为分子的振动能和转动能，分子振动或转动引起分子发生能级跃迁的情况，并且还会形成带有特征性的吸收谱带。这些吸收峰的所在位置、所具有的强度以及呈现出来的形状都与分子结构有着密切关联，进而形成了独特的官能团区域以及指纹区域，因此可用于物质的定性分析以及结构方面的解析工作。
图7 3个不同批次丙烯酸树脂的GPC谱图
Fig.7 GPC Chromatograms of Three Different Batches of Acrylic Resin
表2 3个不同批次丙烯酸树脂的平均分子量
Table 2 Average Molecular Weights of Three Different Batches of Acrylic Resin
红外光谱分析技术能够精确地识别涂料体系中所涵盖的各种官能团，例如环氧基、羧基、酯基以及羟基等。这项技术在检验过程中将原料的红外光谱与标准谱图进行快速比对，可实现定性分析；并能凭借未知样品的结构信息进行谱图数据甄别，推断该样品的结构组成[12]；还可以实时动态追踪固化过程中特征基团吸收峰的各种变化，从而依据这些变化来判定固化的条件以及固化所需要的时间。除此之外，对比老化前后涂层的红外光谱，分析其中关键基团吸收强度的减弱或消失现象，可进一步揭示涂层降解的具体机理[13]。
4.2 应用实例
图8为未知粉末涂料的红外谱图，从该谱图能够看出，在3 331.07 cm-1处出现的吸收峰属于酰胺N—H键的伸缩振动；2 954.91 cm-1处的峰对应C—H键的伸缩振动；1 273.07 cm-1与1 127.22 cm-1两处吸收则位于C—O—C伸缩振动区间，是环氧树脂中醚键的特征表现。综合分析这些光谱表征，该样品为双酚A型环氧粉末涂料。
图8未知粉末涂料的红外谱图
Fig.8 FTIR Spectrum of Unknown Powder Coatings
5 结语
全球涂料行业面临愈发严格的环保法规以及个性化定制的市场需求，在这个大背景下各类分析仪器通过联用能够较为轻松且准确地分析出涂料成分、结构还有性能，所以现代分析仪器在涂料领域诸如质量管控、研发、检测等方面的应用场景就显得格外重要。随着AI人工智能技术的持续进步与深入发展，未来的现代分析仪器将与大数据库相连，分析未知物质的分子结构、推荐使用场景、推荐用量等相关衍生信息，使其在涂料行业当中发挥的作用将愈发重要。
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