红外光谱在高分子材料中的应用.pptx

红外光谱新技术在高分子材料中的应用,演讲人：张志伟,目 录,1 红外光谱技术 2 高分子材料制样方法 3 红外光谱图的解析法 4 红外光谱技术在高分子材料研究中的应用,1 红外光谱技术,红外光谱分析是一种用于鉴定高分子材料成分的重要方法。它先将红外光照射在待检材料上，然后通过检测材料吸收或透过光的强度来判断有机物的分子结构。各种物质具有不同的分子结构，并会因吸收能量的不同而产生相应的红外吸收光谱。,图1 傅里变换叶红外光谱仪,图2 傅里叶变换光谱仪的结构框图,傅里叶变换红外光谱仪是由光学测量系统、计算机数据处理系统、计算机接口和电子线路系统等几个主要部分组成的，其结构框图如图2所示。其中, 光学测量系统用于测量和收集数据, 计算机用于处理数据和控制仪器运行。,1.1 聚合物红外光谱的分类,红外光谱区常分成近红外、中红外、远红外三个区，红外光谱分析的使用范围主要是在中红外区， 最常使用的波数范围是3800～650/cm-1，如果分子中含有一些极性较强的基团，则对应这些基团的一些谱带在这个化合物的IR 光谱中往往是最强的，明显地显示这个基团的结构特征。,1.2 聚合物红外光谱的特点,在高分子材料的剖析工作中，红外光谱法是红外光谱法就是鉴别聚合物最常用、最普遍和最有效的方法。 红外光谱法的主要特点是： （1）分析速度快、效率高。 （2）不破坏被分析样品。 （3）可以分析具有各种物理状态和各种外观形态的有机和 无机化合物。 （4）测试重现性好。由于光谱测量的稳定性,测试结果很 少受人为因素的影响。 （5）红外光谱的基础(分子振动光谱学)已较成熟，因而对 化合物的红外光谱的解释比较容易掌握。,2 高分子材料制样方法,高分子材料制样方法主要有： （1）薄膜法 热塑性高分子材料在一定温度下可以经热压制成薄膜使用，而不能热压的，可以将其溶解在适当的溶剂中制成溶液，然后将溶液浇在平滑的物体表面上, 待溶剂完全挥发后揭下薄膜使用。 （2）KBr 压片法 KBr压片法是一种常用的方法, 它适用于固体粉末样品。如果高分子样品不是粉末状, 那么 就将研细后的高聚物样品和粉末混研均匀，然后将其放入磨具内压成透明的薄片待用。 （3）切片法 用于不能采用溶解、熔融或加压等 手段改变物理状态时的高聚物样品的制备,3 红外光谱图的解析法,3.1 红外光谱的特征量,（1）谱峰位置，即波长或波数。谱峰位置即谱带的特征振动频率，是对官能团进行定性分析的基础，依照特征蜂的位置可确定聚合物的类型。 （2）谱峰强度，即透射百分率或吸收百分率。谱峰强度与分子振动时偶极矩的变化率有关，但同时又与分子的含量成正比，因此可作为定量分析的基础。 （3）谱峰形状。谱峰形状包括谱带是否有分裂，还反映了分子结构特性，可用以研究分子内是否存在缔合以及分子的对称性、旋转异构、互变异构等。,3.2 判别高聚物的类型,在高聚物的红外谱图中，吸收最强的谱带往往对应其主要基团的吸收，有一定的特征性，但有时一些不很强的谱带更能特征反映高聚物的某种结构。 根据高聚物在1800～600cm-1 区域中的最强谱带，分成下述几类： （1）含有羰基聚合物在羰基振动区(1800～1650cm-1)有最强的吸收。最常见的是聚酯、聚羧酸和聚酰胺等聚合物。饱和聚烃和极性基团取代的聚烃在碳氢键的面内弯曲振动区(1500～1300cm-1)出现强的吸收峰。 （2）聚醚、聚砜、聚醇等类型的聚合物最强的是C —O 的伸缩振动，出现在1300～1000cm-1 区域内。,（3）含有取代苯、不饱和双键以及含有硅和卤素的聚合物，除含硅和氟的聚合物外，最强吸收峰均出现在1000～600 cm-1 区域。,3.3 谱图解析,谱图解析最简单可靠的方法就是把待鉴别物的谱图与标准谱图对照。对照谱图时应注意：① 同一聚合物物态不同，红外谱图不完全一致；② 如用溶剂，应与标准谱图相同, 一般情况下应用非极性溶剂；③ 由于其它原因可能会出现杂峰(假谱带)。在谱图的官能团区(4000 —1330cm-1)可用否定法和肯定法帮助推断未知聚合物中存在或不存在某些基团, 进一步缩小可能的聚合物范围。 否定法：如果在某个基团的特征频率吸收区找不到吸收峰，就可推断未知样中不存在该基团。 肯定法：针对谱图上强的吸收带，确定是属于什么官能团, 然后再分析具有较强特征性的吸收带，聚合物试样可能有这些吸收带所对应的官能团。,3.4 红外光谱图的解析实例,1、聚乙烯红外光谱解析,图4 聚乙烯红外光谱图,图4是聚乙烯红外光谱图。其特征谱带是在2950cm-1，1460cm-1 和720/730cm-1 处，有三个很强的吸收峰。它们分别属于C－H 的伸缩，弯曲和摇摆振动。其中720cm-1 处光谱反映的是无定型的聚乙烯吸收峰，730cm-1 处光谱是结晶聚乙烯吸收峰。,2、聚丙烯红外光谱解析,图5 是聚丙烯的红外光谱图。在1460cm-1处存在 C－H弯曲振动吸收峰。甲基弯曲振动出现在1378cm-1处。同时在970cm-1和1250cm-1处出现{CH2CH(CH3) }n谱峰为聚丙烯的CH2振动谱峰，其峰强度不受聚丙烯结晶度及大小的干扰，可以用来做参考峰。,图5 聚丙烯的红外光谱图,3、聚对苯二甲酸乙二醇酯红外光谱解析,图6 聚对苯二甲酸乙二醇酯红外光谱图,图6 是聚对苯二甲酸乙二醇酯红外光谱图。其特征谱带是在1730cm-1处的羰基伸缩振动光谱及1130cm-1和1260cm-1处的C-O-C伸缩振动光谱，它们提示有酯基存在。同时730cm-1 处吸收光谱是对位双取代苯环上面氢的外弯曲振动吸收，表明它是对苯二甲酸基团的一个特征峰。3540cm-1处的光谱, 是未反应的羟基的伸缩振动光谱, 一般很弱。,4 红外光谱技术在高分子材料研究中的应用,4.1高分子材料的分析与鉴别,由于每一种官能团和化合物都具有特异的吸收光谱，其特征吸收谱带的数目、频率、形状和强度均会因化合物及其聚集状态而异。因此，根据化合物的吸收光谱便可找出该化合物，这就像辨认人的指纹一样。通过红外光谱不仅可区分不同类型的高分子材料，而且还可区分某些结构相近的高分子材料。 例如，尼龙6、尼龙7和尼龙都是聚酰胺类高聚物，它们具有相同的官能团，其区别是链的长度不同。因此它们在1400~800cm-1指纹区的谱图是不一样的，而且可据此来区别这三种高聚物。,4.2 高分子材料反应研究,用红外光谱法特别是傅里叶变换红外光谱法，可通过直接对高分子材料反应进行原位测定来研究高分子反应动力学，包括聚合反应动力学、固化、降解和老化过程的反应机理等。 要利用红外光谱进行反应研究，必须解决以下3个问题：首先，样品池既要保证能按一定条件反应，又要能进行红外检测；其次，选择一个既受其他峰的干扰小又能表征反应进行程度的特征峰；最后，要能定量地测定反应物（或生成物）的浓度随反应时间（或温度、压力）的变化。根据比尔定律，只要测定所选特征峰的吸光度（峰高或峰面积法均可），就能将其换算成相应的浓度。,4.3 高分子材料的共混相容性研究,聚合物共混物的相容性可以借助红外光谱方法来表征。可以近似地作以下假设，如果高分子共混物的两个组分完全不相容，则可以认为这两个组分是分相的，所测共混物光谱应是两个纯组分光谱的简单组合。但如果共混物的两个组分是相容的，则可以认为该共混体系是均相的。由于不同分子链之间的相互作用，和纯组分相比，共混物光谱中许多对结构和周围环境变化敏感的谱带会发生频率位移或强度变化。,谢谢！,