1、读 书 报 告题 目：IR 在研究高分子材料中的应用摘要结合国内外研究现状,本文讨论了红外光谱在研究高分子材料中得应用，总结了红外光谱在研究高聚物结构、取向和力学性能中的概况。红外光谱属于分子光谱，分子光谱是四大谱学之一。红外光谱和核磁共振光谱、质谱、紫外光谱一样，是确定分子组成和结构的有力工具。其优点是灵敏度高、波数准确、重复性好，可以分析超薄高聚物薄膜(纳米级)样品。根据未知物红外光谱中吸收峰的强度、位置和形状，可以确定试样分子中包含有哪些基团，从而推断试样的结构、取向和力学性能。关键词：红外光谱；显微分析；取向；高聚物；力学性能第一章 概述红外光谱与分子的结构密切相关，是研究表征分子结构
2、的一种有效手段，与其它方法相比较，红外光谱由于对样品没有任何限制，它是公认的一种重要分析工具。在分子构型和构象研究、化学化工、物理、能源、材料、天文、气象、遥感、环境、地质、生物、医学、药物、农业、食品、法庭鉴定和工业过程控制等多方面的分析测定中都有十分广泛的应用。红外光谱可以研究分子的结构和化学键，如力常数的测定和分子对称性等，利用红外光谱方法可测定分子的键长和键角，并由此推测分子的立体构型。根据所得的力常数可推知化学键的强弱，由简正频率计算热力学函数等。分子中的某些基团或化学键在不同化合物中所对应的谱带波数基本上是固定的或只在小波段范围内变化，因此许多有机官能团(例如甲基、亚甲基、羰基，氰
3、基，羟基，胺基等等) 在红外光谱中都有特征吸收，通过红外光谱测定，人们就可以判定未知样品中存在哪些有机官能团，这为最终确定未知物的化学结构奠定了基础。由于分子内和分子间相互作用，有机官能团的特征频率会由于官能团所处的化学环境不同而发生微细变化，这为研究表征分子内、分子间相互作用创造了条件。分子在低波数区(通常为 1300-900cm-1)的许多简正振动往往涉及分子中全部原子，不同的分子的振动方式彼此不同，这使得红外光谱具有像指纹一样高度的特征性，称为指纹区。利用这一特点，人们采集了成千上万种已知化合物的红外光谱，并把它们存入计算机中，编成红外光谱标准谱图库。人们只需把测得未知物的红外光谱与标准
4、谱图库中的光谱进行比对，就可以迅速判定未知化合物的成份。近红外光谱的谱带宽度大，谱带重叠现象严重。由于上述原因，近红外光谱不是一种很好的反映分子结构特征的方法。目前，结合化学计量学方法，用近红外光谱法定量测定混合体系中某一种或多种组份的含量，并已广泛应用于农业、食品、燃油等的分析。第二章 IR 在高分子中的研究应用一般有机化合物或高聚物的红外光谱带的数目很多，而且不同种类的物质总会有所不同，故特征性很强。另外红外光谱法的制样和实验技术比较简单，使用于各种物理状态的样品。因此，目前红外光谱法已成为高聚物材料分析和鉴定工作中的最重要手段之一。1.1 在高聚物结构中的研究应用用红外光谱测量高聚物的结
5、晶度和立构规整度比其他方法简便，因此广泛地使用。由于大多数结晶高聚物中都包含有结晶区和非结晶区两部分，因此也应有不同的红外光谱。但实际上不肯能分别观察到两种类型的光谱，因为分光光度计光源的辐射面积远远大于单独晶区的面积，但是我们可以利用同种高聚物的完全非结晶样品和高度结晶样品的光谱经行比较，以测出结晶对光谱的影响。在高聚物的红外光谱中，其每条普带对高聚物结构变化的敏感程度是不同的。其中很多普带对于高聚物结构变化是不敏感的，即其位置和强度均不随高聚物结晶状态的变化而改变。在高聚物结晶度的测量中，可作为内标普带，但也会有一些普带对高聚物结晶状态的变化是敏感的。其中为晶区所特有的普带称为晶带，这种普
6、带的强度随高聚物结晶度的增加而增强。如聚乙烯光谱中的173cm-1谱带 1。另外也有一些谱带是表征非结晶太结构的，其强度随高聚物结晶度增加而减弱，如聚四氟乙烯光谱中的 770 和 638cm-1谱带 2。关于非晶谱带的产生可以有两种解释：其一，在高聚物由结晶态向非结晶态变化时，由于结构的无序使红外活性的选择定则放宽，结果使在晶态的一些红外不活性的振动模式获得活性。其二，在非晶区中可能有较多种类的构象存在，因而有较多条谱带对应。Zeibi 等 3首先把高聚物的晶带按其对应的结构特征分类为构像谱带、立构规整性谱带、构象规整性谱带和结晶谱带。应该注意，所谓的晶带并不一定是由真正的结晶结构引起的。其中
7、很多谱带可能是和高分子链本身的结构特征有关，由于这些结构存在而使高聚物可能结晶。因此在使用这些谱带进行高聚物结晶度的测量时，必须首先了解这些谱带的真正归属，否则就可能得不到正确的结果。1.2 高聚物取向的研究高聚物的分子链很长，沿着分子链方向是由共价键结合的，垂直于分子链方向是范德华力结合的，同时分子形状也具有显著的几何不对称性，所有这些是高聚物分子链具有各向异性的原因。在没有取向的材料中，分子链是任意无规则地排列着，因而呈现出各向同性。在力场作用下，分子链沿着力场方向取向排列，材料呈现出各种性质上的各向异性，同时沿取向方向的力学强度也随之增强。因此拉伸取向是合成纤维和薄膜生产过程中的一个很重
8、要环节。用偏振红外光谱法研究高聚物分子链的取向，在理论上和实践中都有着重要意义。首先，它可以测量纤维或薄膜的取向类型和程度，由此可以进一步研究高聚物在外力作用下的变形机理。其次，可以研究高聚物分子链的化学和几何结构。例如在一些情况下，可以测定某个化学基团和分子链所成的角度；也可确定分子链的构象排列。吴贵芬和王镇平 4对用红外偏振光谱测定聚丙烯薄膜的取向( 单轴拉伸) 进行了初步的探讨和研究,聚丙烯的 1256cm-1、973cm -1 谱带是结晶和非结晶的混合谱带,在不同的偏振红外光下反映了聚丙烯薄膜分子链总的取向状况,所得的结果和双折射法获得的结果线性相关。聚丙烯的 997cm-1、840c
9、m -1 谱带是结晶谱带,在不同的偏振红外光下反映了聚丙烯薄膜晶区分子链的取向状况,其结果和 x-射线衍射所得到的结果线性相关。实验结果说明,用偏振红外光,根据聚丙烯薄膜结晶谱带或混合谱带的变化情况,可以了解聚丙烯薄膜晶区或整个分子链。1.3 在高聚物力学性能中的研究应用过去，有关非结晶性高聚物的流变学研究是比较成熟的，但对结晶高聚物，由于其结构和力学行为的复杂性，需要从材料的总体性质中分别测出晶区和非晶区的贡献，因此研究是比较困难的。红外光谱法是研究结晶高聚物的有力工具，因此可以把红外光谱带的二向色性或频率位移作为光学量与应力、应变同时测量，来研究结晶聚合物的结构与性能关系。为了测量样品的红
10、外谱带的二向色性或频率位移随时间的变化，需要一个附加的拉伸装置。Bing Na5用此方法研究了尼龙 6 的增韧和结晶，效果良好。第三章 展望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，例如，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，由于红外光谱能利用其特征谱带有效地区分不同化合物，这使得该方法具有其它方法难以匹敌的化学反差。另外，随着电子技术的日益进步，半
11、导体检测器已实现集成化，焦平面阵列式检测器已商品化，它有效地推动了红外成像技术的发展，也为未来发展非傅里叶变换红外光谱仪创造了契机。随着同步辐射技术的发展和广泛应用，现已出现用同步辐射光作为光源的红外光谱仪，由于同步辐射光的强度比常规光源高五个数量级，这能有效地提高光谱的信噪比和分辨率， 特别值得指出的是，近年来自由电子激光技术为人们提供了一种单色性好，亮度高，波长连续可调的新型红外光源，使之与近场技术相结合，可使得红外成像技无论是在分辨率和化学反差两方面皆得到有效提高。参考文献1 S.Krimm, Pvre Appl. Chem., 1968 年 16 期, 第 369 页.2 G. Mas
12、etti, Macromolecules, 1973 年 06 期, 第 700 页.3 G. Zeibi, F. Ciampell, V. Zamboni, J. Polym. Sci., 1964 年 07 期, 第 141 页.4 吴贵芬, 王镇平. 用红外二向色性测定高聚物取向度. 北京化工大学学报, 1981 年 01 期,第 56 页.5 Bing Na, Wenfei Xu, Ruihua Lv, Zhujun Li, Nana Tian and Shufen Zou. Toughening of Nylon-6 by Semicrystalline Poly(vinylidene fluoride): Role of Phase Transformation and Fibrillation of Dispersed Particles. Macromolecules, 第 2010 年 43 期，第 39113915页
