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【生活中的分析】小米手环（一代）腕带为什么这么容易断？

仗剑少年游

2017/07/10

其他消费品检测

呃，其实我也不知道，但是我真的很想知道！
用过两个小米手环（一代，下面简称手环），周围也很有几个同事用手环，但是不久之后都出现过同样的问题，腕带断裂，喏，就是下图这样。
我就想，到底是什么原因造成的，和材质有关系么？
脑海中设计了一个检测方案：
红外+电镜能谱联用+热重分析。
红外光谱

ATR-OMNI采样红外谱图匹配度最高的是聚二甲基硅氧烷，俗称硅胶，这个结果其实并不意外。

第一幅图是采样获得的红外谱图，排在第二的是匹配度最高的聚二甲基硅氧烷，但是很明显可以看出两者既有相同的地方，也有差异很大的地方，调出聚二甲基硅氧烷的谱图和手环的红外谱图放在一起比较就更加明显了。

上图中红色为手环谱图，紫色为聚二甲基硅氧烷的谱图，很明显，在3300波数、2800~2900波数、1600~1700波数等处有明显不同，应该还含有其他成分，由于两个谱图差异明显，我尝试用差谱的方法试着得出其他组分的红外谱图，原理很简单，由较复杂的谱图减去乘以一定系数的另一谱图（较简单的），这个系数可以理解为与含量比例有关。

差减的效果好坏主要看两个谱图红外吸收峰一致处相减的残峰尽可能小、接近基线。

差减谱图检索匹配度最高的是聚氨酯。
然后我贪心地想，可不可以再来一次差减，用第一次差减获得的谱图减去检索匹配度最高的谱图（此时为聚氨酯），过程略去不提，这次差减后得出的谱图检索匹配情况如下：

结果我认为不可信，所以由此判断，手环主要成分是：聚二甲基硅氧烷+聚氨酯，500~1200波数的大鼓包很有可能是填料及颜料（如碳黑）形成的，毕竟无论聚二甲基硅氧烷还是聚氨酯都应该是无色透明的。
查了一下资料，小米手环使用了一种叫TPSIV的材料，而这种材料的成分是——硅胶和热塑性聚氨酯弹性体。
红外和差谱分析相当靠谱，不是么？
下面要了解就是成分了。
再次请出飞纳的台式电镜。
用手术刀切了那么一丢丢。

称量不敢说非常精准，1毫克左右。
电镜下观察到的景象是这样的。

图中的白点根据我的经验应该是碳酸钙，这是塑料以及橡胶中最常见的填料，至于那些孔洞嘛，应该是填料脱落形成的，填料粒度大概在二十几个微米。
成分是什么，还得能谱探头说了算，做了一个面扫（mapping），如下：

红色的点主要含钙，可以看出与上图的白点是吻合的。
对了我对几个白点（十叉处）做了点分析。

由于面扫比点扫更准确，所以样品中主要含碳、氧、硅、钙四种元素（碳以前的没法测），此时基本上判断出手环的成分：
硅胶+聚氨酯，碳酸钙+碳黑（不是测出是靠经验判断出来的）。
那么他们大概的含量是多少呢？
只能试试热重了。
热重使用的是TA公司的TGA Q500。

TARE（去皮）

TGA的本质就是一个可以加热的天平，所以做之前先去皮，再加上样品。
由于事先并不知道各组分的热重性质，对于不同组分分解温度有交叉的样品，热重分析效果不会太好，所以就没有刻意研究实验条件，使用空气氛，由室温加热到600摄氏度。
得到的热重分析谱图是这样的：

由上图可知以下几点：
1.样品6.6490mg；
2.到250摄氏度之前，样品总体失重3.378%；
3.无论是硅胶还是热塑性聚氨酯弹性体大概都比较耐热，因为250摄氏度后才有失重峰（表征分解），所以使用硅胶铲炒菜的朋友们应该比较放心了吧？
4.在500摄氏度、550摄氏度后的失重应该是填料们造成的，碳会变成二氧化碳、碳酸盐会分解，姑妄猜之，假如5.320%的失重对应碳酸盐的分解，那么碳酸钙的含量应该是
5.320%/0.44=12.09%。
5.实验条件应该把加热温度再提高一些，样品在600摄氏度时残重为14.77%，对应为氧化钙和二氧化硅。
6.假如4的假设成立，那么残余物中氧化钙含量6.77%，对应二氧化硅含量8%，根据聚二甲基硅氧烷的分子式，推算聚二甲基硅氧烷的含量为：8%/0.378=21.16%。
7.我编不下去了……
好了，总结一下：
1.三个环节的实验共消耗样品7.849毫克，说不到8毫克绝对没毛病，所以由于分析仪器的存在，我们能通过少量样品获取不少有用信息；
2.运气好的情况下，红外差谱能获得更多的成分信息；
3.碳酸钙作为填料被大量用于塑料和橡胶中，不然你以为塑料袋出现白色折痕是什么原因？
4.小米手环腕带断裂一定是材料方面出了问题，是原材料有问题，还是比例不对，这个需要小米公司好好找找原因。

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今夕复何夕

第1楼2017/07/11

咳…… 我认为手环腕带断裂一定是：带的过程中，劲使大了，这个解释没毛病

0

仗剑少年游

第2楼2017/07/11

这个地方不怎么受力！
今夕复何夕(v3249129) 发表:咳…… 我认为手环腕带断裂一定是：带的过程中，劲使大了，这个解释没毛病

0

仗剑少年游

第3楼2017/07/11

说句公道话，一分钱一分货，我在淘宝买了一个一模一样的第三方配件，价格超级便宜，做工很好，然而成分如上，是聚氨酯的（TPU），比起原装小米的TPSIV，成本应该低不少。

0

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