红外光谱在高分子材料研究中的应用
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红外光谱在高分子材料研究中的应用

研究高分子材料或聚合物的组成、结构及变化过程, 以制备高性能材料, 成为目前重要的研究方向。红外光谱法 (IR) 是目前高分子材料研究中一种重要的分析测试方法, 具有操作方法简单、技术成熟等特点, 能比较直观高效、准确地表征出物质的结构及其变化, 因此, 己经广泛地应用于高分子材料研究、有机合成、无机化学、化工、生物、医药、环境等领域。

1 红外光谱技术

红外光谱技术是利用物质分子吸收红外辐射后, 产生的振动或转动运动引起偶极矩的变化使分子能级跃迁, 相应区域的光被吸收的现象, 从而得到红外光波长与透射率的曲线。红外光谱能够提供丰富的物质结构信息, 气体、液体、固体都用检测, 并且用量少、分析快、不破坏样品, 因此, 红外光谱法成为鉴定高分子化合物和测定其分子结构的有效方法之一。

2红外光谱在高分子材料研究中的应用

图1 PE红外光谱

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2.1 聚合物的分析与鉴别

聚合物的种类繁多, 红外光谱图复杂, 通过解谱并不能得到物质的准确构成, 只能推测出物质分子的大致结构以及官能团状况, 最后要根据分析结果与标准谱图进行对比才能得到最终结果。

聚乙烯 (PE) 结构简单, 因而可以能过吸收峰直接确定, 如图1。但是对于复杂聚合就不能仅依靠红外光谱图判断其种类。如图2, 根据苯环-C=C-的弯曲振动、-CH2-不对称伸缩振动等, 只能缩小归属范围, 最后与标准谱图对比方能确定该化合物为聚苯乙烯。

2.2 聚合物结构及变化的研究

通过红外光谱法可以研究聚合物分子链的组成、结构、构型等。此外, 还可以研究聚合物在一定的条件下分子结构发生的变化, 如老化、硫化、固化等。

李圆等[1]将丙烯酰胺和淀粉通过接枝共聚形成聚合物凝胶体系。图3中新的吸收峰证明丙烯酰胺单体成功地接枝到了淀粉本体上。黄亚曦等对聚乙烯薄膜进行紫外线老化实验。图4表明样品在紫外照射1200h后的红外光谱图中羰基峰面显著减小, 可以认为在此时样品分子链开始老化断裂[2]

图2 聚苯乙烯红外光谱

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梁晓凡等[3]用红外谱法确定了聚苯乙烯 (PS) 等聚合物的玻璃化转变温度 (Tg) , 还从构象和分子间相互作用的角度来解释玻璃化转变现象。

2.3聚合物结晶度的测定

红外光谱法可以用来测定聚合物的结晶度, 但需要以绝对结果作为相对标准, 才能计算出该聚合物的结晶度。梁庆优等[4]对不同结晶度的聚己内酯样品进行了DSC标定。图5为样品的红外光谱图经分峰处理后的函数图, 进行非线性拟合后, 相关性良好。因此红外光谱图可以表征聚己内酯的结晶度。

2.4 差减光谱技术的应用

差减光谱 (差谱) 就是用一个光谱减去另一个光谱后分析两者差异, 差谱技术可以直接获得聚合物样品中的添加剂、杂质等信息。图6、7中蔡锡兰[5]对混合纤维和某一组分进行了差谱分析, 得到差谱图, 再与标准谱的对比, 确定了组分的种类。

某司的产品中发现极少量污染, 决定采用红外差谱法来测试。通过比较纯净样品与污染样品红外图谱得到差谱, 如图8。同时, 将差谱在红外光谱图库中进行检索, 结果为M200有机硅油, 结果与客户反馈一致[6]

3结束语

随着科学技术的发展, 红外光谱技术的发展变的十分活跃, 技术得到了拓展, 应用领域不断变宽。如反射光谱、光声光谱法、时间分辨光谱法等。该技术与其它技术联合检测也成为发展趋势, 这拓展红外光谱法的应用领域。

图7 差减谱图与羊毛红外光谱

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图6 腈纶-羊毛混合物和腈纶的红外光谱

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图4 经不同时间紫外老化的PE红外光谱

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图3 淀粉与接技淀粉的红外光谱

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图5-CH2的剪切振动峰值拟合

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图8 差谱结果检索

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