《高分子材料加工实验》 棉山种宁教本学院 FOSHANUNIVERSITY 实验十四红外光谱分析 一、目的和要求 1、了解红外光谱法分析的原理。 2、初步掌握简易红外光谱仪的使用。 3、初步学会查阅红外光谱图，定性分析聚合物： 二、实验原理 红外吸收光谱法(Infrared Absorption Spectrometer,IR)是指以一定波长的红外光照射物质时，若该红外 光的频率，能满足物质分子中某些基团振动能级的跃迁频率条件，则该分子就吸收这一波长红外光的辐射能量， 引起偶极矩变化，由基态振动能级跃迁到较高能量的激发态振动能级。检测物质分子对不同波长红外光的吸收强 度，就可以得到该物质的红外吸收光谱。红外线按其波长的长短，可分为近红外区(0.78~2.5m)、中红外区(0.5~ 50m)、远红外区(50一300m)。红外分光光度计的波长一般在中红外区。由于红外发射光谱很弱，所以通常测量 的是红外吸收光谱。 红外光谱法分析具有速度快、取样微、高灵敏等优点，而且不受样品的相态（气、液、固）之限，也不受材 质（无机材料、有机材料、高分子材料、复合材料）的限制，因此应用极为广泛。在高分子应用方面，它是研究聚 合物的重要手段，比如： ①鉴定主链结构、取代基的位置、顺反异构、双键的位置： ②测定聚合物的结晶度、支化度、取向度： ③研究聚合物的相转变： ④探讨老化与降解历程： ⑤分析共聚物的组分和序列分布等。 因为红外光量子的能量较小，所以物质吸收其后，只能引起原子的振动、分子的转动、键的振动。按照振动 时键长与键角的改变，相应的振动形式有伸缩振动和弯曲振动，而对于具体的基团与分子振动，其形式名称则多 种多样。每种振动形式通常相应于一种振动模式，即一种振动频率，其大小用波长或“波数”来表示（注意“波 数”是波长的倒数，单位为cm'，它不等于频率)。： 104 o/cm 波数与波长的关系式： /cm /m J72 分子振动方程式： 2π 2πc M 式中N一一阿伏加德罗常数，6.022×10： 光速，2.998X10cmS: 联结化学键的力常数，N•cm; “一一原子折合质量，山= m·, m1+1m2 M一一折合相对原子质量，M= M·M, M,+M, 1 This document is produced by trial version of Print2Flash.Visit www.print2flash.com for more information
《高分子材料加工实验》 对于复杂分子，则有很多“振动频率组”，而每种基团和化学键，都有其特征的吸收频率组，犹如人的指 纹一样。以某些聚合物试样为例（图1），当波数在4000~500cm之间： 全同结晶的聚苯乙烯的特征谱带在1365cm3、1297cm2、1180cm3、1080cm、1055cm、585cm、 558cm2处， 无规聚苯乙烯的特征谱带在1065cm、940cm、538cm; 聚氯乙烯的碳氯键C-C1吸收带在800一600cm1； 尼龙66的-C0N阳-吸收带在3300cm、3090cm'、1640cm、1550cm'、700cm: 聚四氟乙烯的-C℉，极强吸收带在1250~1100cm;涤纶(PET)的晶带吸收在1340cm、972cm、848cm, 非晶带吸收在1445cm3、1370cm、1045cm3、898cm: 全同聚丙烯的晶带吸收在1304cm2、1167cm、998cm1、841cm、322cm、250cm1等处。 1-全同结晶 透光率/ 1600140012001000800600400 300020001500 1000900800700 波数/cm 波数/cm (a)聚苯乙烯 (b)聚四氟乙烯 透光率/ 1500 1000 500 300020001500 1000900800 700 波 数 /cm 波数/cm (c)全同聚丙烯 (d)聚氯乙烯 透光率 3000 2000 1500 1000 500 波数/cm1 (e)尼龙 2 This document is produced by trial version of Print2Flash.Visit www.print2flash.com for more information
《高分子材料加工实验》 1-非品 2-部分结晶 3000 1800 1400 1000 700 500 波数/cm (f)PET 图1几种聚合物的红外光谱 在由乙烯聚合成聚乙烯的过程中，乙烯的双CH2一CH 键被打开，聚合生成长链，因而聚乙烯分子中 原子基团是饱和的亚甲基，其红外吸收光谱如图2所示。 由图可知聚乙烯的基本振动形式有： 4000 v/cm-1 650 80 60 40 5678910i立131415 λ/μm 图2聚乙烯的红外光谱 A、Vc-H（-C12-2926cm1和2853cm1: B、6cH(-CH2-1468cm C、6e-H（-CH2-）n,n>4时720cm1 由于6。a1306cm和6ca1250cm1为弱吸收峰，在红外吸收光谱上未出现，因此只能观察到四个吸收峰。 3 This document is produced by trial version of Print2Flash.Visit www.print2flash.com for more information
《高分子材料加工实验》 v L30山9ui97imm品99 2.5 6.0 “7.08.09.0.10.121416 100F MWWWWM B 4000 3500 5 400h200 800 625 y/cm 图3聚苯乙烯的红外光谱 在聚苯乙烯 CH- CH 的结构中，除了亚甲基（一CH,一）和次甲基 I-eH-)】 外，还有苯环上不饱和碳氢基团(=CH一)和碳碳骨架（一C=C一），它们构成了聚苯乙烯分子中基团的基本振动 形式。图3为聚苯乙烯的红外吸收光谱，由图可知，聚苯乙烯的基本振动形式有： A、vc-H(Ar上B010cm；3030cm1；3060cm-:3080cm1:(Ar代表苯环) B.ve-#(-CH2-)2926cm:2853cm:ve-(H-)2955cm C.vc-81468cm:vc-81360cm:ve-81306cm: D、vc=a(Ar上1605cm:1550cm-1:1450cm E、6c-a(Ar上单取代倍频峰)944cm1:1871cm:1800cm1；1749cm F、6。-a(Ar上连接五氢770730cm1和710690cm 三、仪器、设备和材料 1、仪器、设备 红外光谱仪：Magna-IR spectrometer,seriesⅡ-550， U.S.A.Nicolet Instrument Corporation 2、材料 聚苯乙烯，聚乙烯，聚氯乙烯，涤纶等。 四、实验步骤 红外光谱仪一般由光源、光圈、激光器、检测器、干涉仪等组成。参见图4。 This document is produced by trial version of Print2Flash.Visit www.print2flash.com for more information
《高分子材料加工实验》 干涉仪 样品室 检测器 显示器 光源 计算机 绘图仪 干涉图 光谱图 图4红外光谱仪简单示意图 1、开启空调，使室内温度控制在18~20℃，相对湿度≤65%。打开电脑程序。 2、选择collect菜单下setup,设为transmittance或absorbance。. 3、选择collect菜单下benchsetup,将source设为R(开)，点击Align,确定。 4、选择collect菜单下sample选项，取名后按enter,出现background,按ente采集背景，继而弹出sample 对话框，放入试样，按enter采集红外谱图。 5、选择Analyze菜单下search选项，将试样的红外谱图与谱库进行对比分析。 6、选择Analyze菜单下veiw选项，设置display中的name、title和date等。 7、选择ile菜单下print,.打印红外光谱图。 注：试样的制作 (1)试样薄膜的制作 取厚度均为51m的30×50m的聚乙烯和聚苯乙烯等薄膜各一张，另取 55×120mm'的硬纸板四张，将它们中间开成长30mm、宽15mm的长方形口，然后把薄膜分别粘夹在 两张硬纸板长方形口上，即制成试样卡片，实验开始前将其分别插在试样窗口前。 (2)标样、试样和纯溴化钾晶片的制作取预先在110℃下烘干48h以上，并保存在干燥器内的溴化钾150mg 左右，置于洁净的玛瑙研钵中，研磨成均匀、细小的颗粒，然后转移到压片模具上，按要求加压得到直径为13mm, 厚1~2mm透明的溴化钾晶片，小心从压模中取出晶片，并保存在干燥器内。 另取一份150mg左右溴化钾置于洁净的玛瑙研钵中，加入2~3mg聚合物标样或试样，同上操作研磨均匀、 压片并保存在干燥器中。（制得的晶片，必须无裂痕，局部无发白现象，如同玻璃般完全透明，否则应重新制作。 晶片局部发白，表示压制的晶片厚薄不匀，晶片模糊，表示品体吸潮。) 五、实验记录与处理 1、记录实验条件。 2、在获得的红外吸收光谱图上，从高波数到低波数，标出各特征吸收峰的频率，并指出各特征吸收峰属于何种 基团和形式的振动。 3、对高分子材料的分析鉴定：将试样的特征吸收峰同标准谱图一一对照。umme1等著的《聚合物、树脂和添 加剂的红外分析图谱集》，还可将未知物的光谱数据和计算机中贮存的已知物光谱数据一一对比，从而鉴定未知 物的结果。近年来，还进一步发展为计算机带人工智能的解析光谱程序，即计算机模仿人来解释红外谱图和辅助 结构解析。 六、注意事项 1、用薄膜进行红外光谱吸收实验，对膜的厚度有一定的要求，即必须保证透光率在15%-70%。否则将影响实 5 This document is produced by trial version of Print2Flash.Visit www.print2flash.com for more information
《高分子材料加工实验》 验结果。不同基团其红外敏感性不同，因此，试样不同，其薄膜的厚薄也应有区别。 2、同一种聚合物，成膜工艺不同，其亚微观结构会有变化，因此用红外吸收光谱研究聚合物结构，特别是与标 准谱图对比时，一定要注意这一点。 3、在解释红外吸收光谱时，一般从高波数到低波数，但不必对光谱图的每个吸收峰都进行解释，只需指出各基 团的特征吸收峰即可。 红外光谱图上的吸收峰位置（波数或波长）取决于分子振动的频率，吸收峰的高低（同一特征频率相比），取决 于样品中所含基团的多少，而吸收峰的个数则和振动形式的种类多少有关。 七、思考题 1、产生红外吸收的动因是什么？ 2、波数和波长有什么不同？ 3、简述红外光谱仪的组成和工作原理？ 4、红外光谱对聚合物能够进行哪些测试及鉴定？ 5、红外吸收光谱分析，对固体试样的制片有何要求？ 6、如何着手进行红外吸收光谱的定性分析？ 7、红外光谱实验室为什么对温度和相对湿度有一定的要求？ 6 This document is produced by trial version of Print2Flash.Visit www.print2flash.com for more information