塑料零件根本原因分析：FTIR、DSC、TGA、SEM

失效塑料零件的根本原因分析：FTIR、DSC、TGA 与 SEM 各能告诉您什么

要点速览

• 先明确问题，再选择仪器。每种技术只擅长回答一个狭窄的问题，对其他问题则效果很差。
• 首先进行目视和尺寸检查——它免费、无损，并决定了哪些仪器测试值得进行。
• 先鉴定，再比较。几乎所有结论都依赖于在相同条件下测试的合格对照样品。
• 测试前先保存样品。大多数分析方法具有破坏性，而失效零件往往无法替代。

分析仪器并不能解决失效问题；它们只能回答问题。这一区别至关重要，因为塑料实验室中的每种技术都只擅长回答一个狭窄的问题，对大多数其他问题则效果很差；如果失效调查一开始就在没有明确问题的情况下把零件送去“测试”，通常只会得到一堆数据而没有结论。高效的顺序始终相同：观察、提出假设，然后选择能够区分剩余假设的仪器。

使用任何仪器之前

有记录的目视检查是整个调查中价值最高的步骤，而且不花一分钱。按收到时的状态从多个角度拍摄零件并放置标尺。记录失效位置相对于浇口、熔接线、加强筋、凸台、孔以及任何二次加工的位置。测量关键尺寸并与图纸对比。在体视显微镜下以 10–40 倍观察断口或缺陷，并对所见进行分类。

这一步通常决定整个后续方案。裂纹起源于注塑成型时形成的应力集中处，且位于接触化学品的区域，提示环境应力开裂，应转向 DSC 和化学暴露测试。干净的界面分离且无聚合物转移，提示表面问题，应转向 FTIR 和表面分析。本应具有韧性的材料发生脆性断裂，提示降解、污染或树脂替代，应转向 TGA、DSC 和熔体流动测量。

FTIR：它是什么，上面有什么

红外光谱是通用的主力技术。它通过官能团特征识别聚合物类型，从而确认或推翻“零件由图纸所述材料制成”的假设。它能直接检测表面污染——有机硅、油类、脱模剂、清洗残留物——因此是判断最常见附着力失效原因的决定性测试。它能显示指示热降解或紫外降解的氧化产物，并且可以在不破坏样品的情况下以反射模式对断口面进行测试。

也应了解它的局限。在没有精确校准的情况下，它识别的是化学成分，而非含量。它无法区分同一聚合物的不同牌号。并且它反映的是被采样体积内的情况，对于表面技术而言可能只有几微米——当问题涉及表面层时很有用，当问题涉及本体成分时则会产生误导。

DSC：热历史与固化

差示扫描量热法对几毫克样品加热并测量所需的热流，从而显示熔融、结晶和玻璃化转变。在失效分析中，它最常见的用途包括：确认材料身份、检测供应商未披露的树脂替代、对冷却速率决定性能的半结晶材料的结晶度进行定量，以及测量热固性塑料和 UV 固化涂层的残余固化度。

残余固化是延迟失效中经常被忽视的原因。组装后仍在继续固化的涂层或胶粘剂，其模量和收缩都会改变，两种效应都会使界面受力。DSC 可量化剩余的固化程度，与充分固化的对照样品比较，就能把怀疑变成测量结果。

TGA：按质量划分的成分

热重分析对样品加热并记录质量随温度的变化。由于聚合物、增塑剂、填料和残渣在不同温度范围内分解或挥发，所得曲线实际上就是一份成分分解表：挥发分和水分、增塑剂含量、聚合物含量、炭黑，以及无机填料或玻纤残渣。

这项测试可以回答“玻纤含量是否符合我们的规定？”以及“这个零件里还剩多少增塑剂？”。它也是检验热稳定性的标准方法，当材料在接近其降解阈值的条件下加工时，这一点尤为重要——这正是脆性行为以及导致基材型附着力失效的薄弱表面层的常见根本原因。

SEM 与 EDS：形貌与元素

扫描电子显微镜提供的景深和放大倍数是光学显微镜无法企及的，这在需要判断裂纹从哪里开始、如何扩展时尤为重要。断口表面带有指向起裂点的方向性特征，找到该起裂点——孔隙、夹杂物、浇口痕迹、机加工划痕——往往就能结束调查。

能谱分析（EDS）通常配置在同一台仪器上，可增加元素鉴定能力。它能发现无机污染物、识别金属夹杂物、绘制填料分布图，并在怀疑存在有机硅污染时确认硅元素。SEM/EDS 比其他技术更昂贵，而且具有破坏性，因为样品必须切割到合适尺寸并常需镀膜，所以应放在测试顺序的较后阶段，而不是较前阶段。

力学与流变方法

熔体流动速率成本低，却信息量很大：相对于规格的偏移表明存在降解、污染或牌号不同，往往是发现材料问题的最快途径。拉伸、弯曲和冲击测试可量化材料是否符合其数据表，这在争论的焦点是零件还是载荷有问题时十分重要。对于粘接接头，按规定标准进行的搭接剪切和剥离测试，可把主观评估转变为可在不同批次和供应商之间比较的数值。

顺序与样品纪律

两条规则可避免大部分无效测试。先保存，再消耗：这些方法大多会破坏样品，而失效零件往往是唯一的一件。在进行第一项测试之前，先拍照、记录并将未动过的材料单独留存。始终进行对照：这项工作中几乎所有结论都是比较性的。如果没有对合格零件进行相同测量，失效零件的光谱、热谱图或熔体流动数值就没有多大意义，合格零件最好来自同一模具，并且最好取自表现正常的批次。

遵守这两条规则的调查往往几天即可结案。忽略它们的调查，往往得到的数据对多种相互竞争的解释同样适用，这正是“结论不明确的报告”在实践中的定义。

相关阅读

• 粘接失效
• 解读断口表面
• 环境应力开裂
• Sabreen 工程服务
• 一份站得住脚的失效分析报告应包含什么

需要这方面的帮助？

The Sabreen Group 为塑料部件的分析性失效分析和根本原因调查提供独立的工程支持。我们的工程服务团队与制造商合作，涵盖工艺开发、材料认证和生产故障排查。欢迎联系我们，讨论您的应用。

常见问题

对失效零件应首先进行哪项测试？

仪器测试都不是。应从有记录的目视检查、尺寸测量以及对断口或缺陷的低倍显微观察开始。这样可确定失效模式和位置，进而判断是否需要材料鉴定、热历史、污染分析或力学性能数据。在明确问题之前就运行仪器，正是测试预算被耗尽却没有结论的原因。

FTIR 究竟能告诉我们什么？

傅里叶变换红外光谱可识别化学官能团，这意味着它能鉴定聚合物类型、确认添加剂和填料、检测表面污染，并显示氧化或降解产物。它是塑料失效分析中用途最广的单一技术，速度快，所需材料极少。

什么时候适合选择 DSC？

差示扫描量热法测量热转变，因此可显示熔点、玻璃化转变、结晶度和固化程度。可用它对照规格确认材料身份、检测树脂替代、评估半结晶零件的冷却是否正确，或检查热固性塑料是否真正固化完成。

TGA 与 DSC 有何不同？

热重分析测量质量随温度的损失，因此可对成分进行定量：填料和玻纤含量、增塑剂和挥发分含量、炭黑含量以及热稳定性。DSC 告诉您转变和固化情况；TGA 告诉您材料由什么构成，以及各组分的含量多少。

大多数调查都需要 SEM 吗？

大多数不需要。当断裂起始位置和裂纹扩展机制很重要、特征尺寸低于光学显微镜的分辨率，或需要通过 EDS 元素分析来鉴定无机污染物或填料分布时，扫描电子显微镜才物有所值。对于简单的附着力或污染问题，光学显微镜加 FTIR 通常就能解决。

---