红外光谱仪在高分子上的研究应用.doc

红外光谱仪在高分子上的研究应用摘要：本文简单回顾了红外光谱仪的发展历程，重点阐述了色散型红外光谱仪的工作原理及其优缺点，一般性地叙述了仪器的操作方法，介绍了几种常见的样品制备方法，重点说明红外光谱在高分子研究方面的应用及举例。关键词：红外光谱仪；高分子；研究应用1 简介测定物质的红外光谱的工具红外光谱仪的制造始于二十世纪初，但由于受当时其他科学技术进展的制约，发展一直较慢。第二次世界大战后电子学技术的飞跃发展，相应的检测器、辐射源、透光材料问题得以解决。60年代后，光栅刻划和复制技术以及消除多级次光谱的重叠干扰的滤光片技术的发展，使得光栅色散型红外光谱仪迅速发展，其性能日趋完善，扩大了红外光谱法的应用范围。70年代以后，傅里叶变换红外光谱仪开始兴起，但是色散型仪器价格低廉，用途广泛，所以本文重点介绍色散型红外光谱仪。2 工作原理色散型红外光谱仪的原理可用下图说明之。从光源发出的红外辐射，分成二束，一束通过试样他，另一束通过参比他，然后进入单色器。在单色器内先通过以一定频率转动的扇形镜（斩光器），其作用与其它的双光束光度计一样，是周期地切割二束光，使试样光束和参比光束交替地进入单色器中的色散棱镜或光栅，最后进人检测器。随着扇形镜的转动，检测器就交替地接受这二束光。假定从单色器发出的为某波数的单色光，而该单色光不被试样吸收，此时二束光的强度相等，检测器不产生交流信号；改变波数，若试样对该波数的光产生吸收，则二束光的强度有差异，此时就在检测器上产生一定频率的交流信号（其频率决定于斩光器的转动频率）。通过交流放大器放大，此信号即可通过伺服系统驱动参比光路上的光楔（光学衰减器）进行补偿，此时减弱参比光路的光强，使投射在检测器上的光强等于试样光路的光强。试样对某一波数的红外光吸收越多，光楔也就越多地遮住参比光路以使参比光强同样程度地减弱，使二束光重新处于平衡。试样对各种不同波数的红外辐射的吸收有多有少，参比光路上的光楔也相应地按比例移动以进行补偿。记录笔与光楔同步，因而光楔部位的改变相当于试样的透射比，它作为纵坐标直接被描绘在记录纸上。由于单色器内棱镜或光栅的转动，使单色光的波数连续地发生改变，并与记录纸的移动同步，这就是横坐标。这样在记录纸上就描绘出透射比T对波数（或波长）的红外光谱吸收曲线。色散型红外光谱仪的工作原理图3 操作方法（1）开机前准备开机前检查实验室电源、温度和湿度等环境条件，当电压稳定，室温为215左右，湿度65才能开机。（2）开机开机时，首先打开仪器电源，稳定半小时，使得仪器能量达到最佳状态。开启电脑，并打开仪器操作平台OMNIC软件，运行Diagnostic菜单，检查仪器稳定性。（3）制样根据样品特性以及状态，制定相应的制样方法并制样。（4）扫描和输出红外光谱图测试红外光谱图时，先扫描空光路背景信号（CollectBackground），再扫描样品文件信号（CollectSample)，经傅立叶变换得到样品红外光谱图。（5）关机关机时，先关闭OMNIC软件，再关闭仪器电源，最后关闭计算机并盖上仪器防尘罩。在记录本上记录使用情况。4 实验方法（1）浇铸薄膜法由聚合物制备薄膜是一种最常用的制备技术。在制备薄膜时要用最有效的溶剂，由于聚合物对某些溶剂有强烈的溶剂化作用，导致样品中的残留溶剂难以出去。一般情况下，可用低沸点的溶剂萃取残留溶剂。但是要避免使用非常易于挥发的溶剂溶解聚合物进行制膜，因为低沸点溶剂迅速挥发时，由于空气中的水汽凝聚在样品上产生浑浊的薄膜，或在薄膜中形成气泡，或在内部溶剂挥发时使表面形成不均匀的环形表面，使散射光大大增加。（2）热压薄膜法热压薄膜法是制备热塑性树脂和不易溶解的树脂样品的最方便和最快速的方法。热压最好在20吨油压机上进行，热压装置能升温至270，并可以用水迅速冷却。在热压样品以前，最好先将聚合物放在显微镜加热台上，测定其软化温度和熔融温度。据此可选用下述两种操作条件，其一是在超过软化点的温度和较高的压力下将样品压制成膜，其二是加热样品到熔点以上并在相当低的压力下压制成膜，薄膜的厚度由取样量和改变温度来控制。在许多情况下，压制前预热样品是必要的。而在热压法制样过程中，某些聚合物会因受热而氧化，或者在加压时产生定向，从而使光谱发生某些变化。（3）溴化钾压片法溴化钾压片法对一般固体样品都是很实用的，但是大多数树脂难以在溴化钾中均匀分散，由此所得到的光谱与薄膜法相比质量较差。因此在聚合物制样中，溴化钾压片法只适用于薄膜法所不能使用的如不溶性或脆性树脂、一些橡胶或本来就是粉末状样品。脆性树脂可以再加入溴化钾前先磨细。对于某些不溶的树脂或橡胶可先加入适当溶剂进行溶胀，溶胀的凝胶更易研磨，研细后挥发去溶剂。5 红外光谱在高分子研究的应用及举例（1）高分子材料的分析与鉴别红外光谱法操作简单，具有分析时间段，不破坏试样等优点，是用于鉴定高分子材料的一种很理想的方法。每一种官能团和化合物都具有特异的吸收光谱，其特征吸收普带的数目、频率、形状和强度均会因化合物及其聚集状态而不同。因此，根据化合物的吸收光谱变可找出该化合物，并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1400800cm-1指纹区的谱图是不同的，且可据此来区别这三种高聚物。（2）高分子材料反应研究用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。例如，当环氧树脂E51与DICY发生反应时，首先是DICY中伯胺上的氢原子与环氧基发生开环反应，然后是氰基与羟基发生反应生成酰胺，并进一步与环氧基进行开环反应。（3）定量测定高聚物的链结构。当一定频率的红外光通过分子时，其能量就会被分子中具有相同振动频率的化学键所吸收，如果分子中没有与入射光振动频率相同的化学键，则该频率的红外光就不会被吸收而分子中化学键的振动频率是受该化学键周围原子的构成、空间位置等因素影响的。因此根据高聚物对连续红外光产生吸收的谱图，可以分析出高分子所含的化学基团及其吸收峰位移的情况，从而判断高分子的化学结构、高分子的链结构。另外，根据高分子红外吸收光谱途中反应某种链结构的吸收峰信号的强弱，结合合成中反应机理的推测，可以做出共聚高分子序列结构的简单半定量推测。例如，丁二烯聚合时能产生三种不同构型：顺式，反式和1，2式。这些构型在=CH面外弯曲振动区出现不同的吸收谱带，分别位于724cm-1、966cm-1和911cm-1，测定这些谱带的相对强度就可计算出各个组分在聚丁二烯中的相对含量。（4）研究高分子的结晶性能高分子的洁净度也是影响其物理性能的重要因素。当高分子结晶时，在红外光谱上出现非晶态高分子所没有的新谱带。晶粒熔化时，此谱带强度下降。例如，涤纶的结晶带1340和972cm-1，将随试样热处理条件不同而变化，特别是972cm-1带与试样的密度相关性密切，可用972cm-1带与另一不受热处理影响的谱带795cm-1强度比，可求出它的结晶度。6 结论当代红外光谱技术的发展已使红外光谱的意义远远超越了对样品进行简单的常规测试并从而推断化合物的组成的阶段，红外光谱仪与其它多种测试手段联用衍生出许多新的分子光谱领域。色谱技术与红外光谱仪联合为深化认识复杂的混合物体系中各种组份的化学结构创造了机会；把红外光谱仪与显微镜方法结合起来，形成红外成像技术，用于研究非均相体系的形态结构，由