红外光谱法在高分子材料研究中的应用精选PPT.ppt

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1、关于红外光谱法在高分子材料研究中的应用第1页，讲稿共81张，创作于星期三2内容n 高分子材料概述n 高分子材料的制样特点n 聚合物的链结构研究n 聚合物的聚集态结构研究n 聚合物的反应过程研究n 红外显微镜在高分子材料研究中的应用n 未知材料的剖析第2页，讲稿共81张，创作于星期三31 高分子材料概述高分子材料概述高分子材料的分高分子材料的分类按照材料的性质，分为塑料、橡胶、纤维、涂料和粘合剂等几大类；同种聚合物例如聚氨酯，既可以加工成塑料，也可以制成橡胶、纤维、涂料和粘合剂等。高分子材料的高分子材料的组成成 聚合物 均聚物 共聚物 共混物 齐聚物 低分子物 添加剂：调节剂、链转移剂、终止剂、

2、乳化剂等；助剂：增塑剂、稳定剂、填充剂、着色剂等等；未反应单体、残留催化剂等等。第3页，讲稿共81张，创作于星期三4高高分分子子材材料料链结构构聚集聚集态结构构重复重复单元元结构构分子量及其分布分子量及其分布共聚共聚组成及序列分布成及序列分布空空间立构立构支化与交支化与交联结晶晶取向取向多相多相结构及相形构及相形态物理状物理状态高分子高分子多个单体单元通过共价键联结而成的长链，与一般有机物相比，结构极其多样且可设计，具有相当高的机械强度，分子量不固定，部分结晶或不结晶，同时具有弹性体和流体的性质。第4页，讲稿共81张，创作于星期三51.1 聚合物的聚合物的链结构构 单个高分子的结构，它决定聚合

3、物的基本性质。分子分子组成，分子量及其分布成，分子量及其分布A A：初具：初具强度最低分子量度最低分子量B B：显示示强度最低分子量度最低分子量AB C机械机械强度度分子量分子量加工性加工性第5页，讲稿共81张，创作于星期三6 键接方式接方式头尾键接头头键接 支化与交支化与交联树枝状高分子超支化高分子第6页，讲稿共81张，创作于星期三7对单取代的乙烯基型聚合物-CH2-CHR，有三种情况：全同立构（isotactic）间同立构（syndiotactic）无规立构（atactic）空空间立构立构第7页，讲稿共81张，创作于星期三8 几何立构几何立构顺式聚异戊二烯（橡胶）反式聚异戊二烯（半结晶的塑

4、料）旋光立构旋光立构聚乙烯基醚类D-链节L-链节第8页，讲稿共81张，创作于星期三9无规共聚物（random copolymer）AABAAABBABBBAA交替共聚物(alternating copolymer)ABABABABABABAB嵌段共聚物(block copolymer)AAAAAAAABBBBBB接枝共聚物(graft copolymer)共聚物序列共聚物序列结构构第9页，讲稿共81张，创作于星期三101.2 聚合物的聚集态结构聚合物的聚集态结构分子之间如何排列，决定材料的使用性能。q 聚合物的物理状聚合物的物理状态 取决于分子运动形式：物理状态 玻璃态 橡胶态 粘流态温度 低

5、 高分子运动 基本停止 2为主 1为主1指分子线团运动 2指分子链段运动q 取向取向 在外力作用下分子链沿作用力方向排列，产生局部有序和各向异性，但不一定产生结晶。链段取向在高弹态即可完成；而整个分子的取向则需在粘流态才能完成。取向是热力学不稳定状态，要有外力才能发生，一旦外力撤去，就会自发解取向。因此要“冻结”才能保持。第10页，讲稿共81张，创作于星期三11 晶晶态与非晶与非晶态 共混和合金共混和合金一般不能实现分子水平的混合，形成非均相体系。三嵌段聚合物的相形态第11页，讲稿共81张，创作于星期三121.3 高分子材料的研究内容高分子材料的研究内容 结构性能关系结构性能关系不同材料具有不

6、同的性能；同种材料具有不同性能，如聚氨酯；材料的性能不仅和其组成有关，更重要的是和其结构有关。基本性能和加工性能与使用性能之间有时是不一致的。聚合物加工产品聚合物分子结构基本性能产品性能加工性能仪器测量结果客观标准实际使用评价主观标准聚合物聚集态结构第12页，讲稿共81张，创作于星期三13原材料的分析最佳合成工艺条件的选择分子量及其分布聚合物支化、交联共聚物组成及序列分布加工工艺条件的选择多相结构及相形态反应加工材料使用过程的老化、降解等等 高分子材料的高分子材料的变化化 单体聚合物制品应用 q 高分子材料的剖析高分子材料的剖析 新材料的开发，引进技术的消化和逐步国产化。材料真伪的识别。第13

7、页，讲稿共81张，创作于星期三142 高分子材料的制样特点高分子材料的制样特点 一般固体制样技术均可适用，但针对聚合物的特点，在实际操作时稍作改进，例如：热塑性塑性树脂脂：溶解流延成膜、热压成膜或溶解涂片；热固性固性树脂脂：如固化环氧树脂、酚醛树脂等，可采用洁净的小钢锉，锉取样品的粉末，然后再用KBr压片。轻度交度交联的聚合物的聚合物：在溶剂中不溶解只溶胀的样品，可以在溶胀(含有溶剂)的情况下与KBr研磨，然后，再烘干溶剂并研磨压片。纤维样品品：如果单丝直径在10微米以下，可用单丝排列整齐（或剪碎）后，用KBr压片，测定透射光谱，若直径太大或不是单丝，只能整齐的缠绕在薄铝片上，或压扁后用ATR

8、测定。第14页，讲稿共81张，创作于星期三15常见聚合物热压成膜的参考温度聚合物温度/聚合物温度/高密度聚乙烯线型低密度聚乙烯170尼龙11220低密度聚乙烯150尼龙66280聚丙烯200聚甲醛190聚苯乙烯130聚碳酸酯260聚甲基丙烯酸甲酯260聚对苯二甲酸乙二醇酯290聚氯乙烯190聚对苯二甲酸丁二醇酯250尼龙6250聚四氟乙烯360第15页，讲稿共81张，创作于星期三16不同制样方法得到的PMMA红外谱图第16页，讲稿共81张，创作于星期三17PMMA氯仿溶液与氯仿的差谱第17页，讲稿共81张，创作于星期三18样品的不均一性天然橡胶测量不同部位得到的谱图第18页，讲稿共81张，创作

9、于星期三19不同形态的PVDF第19页，讲稿共81张，创作于星期三20制样的问题制样的问题-KBr第20页，讲稿共81张，创作于星期三21 衰减全反射衰减全反射(attenuated total reflection,ATR)穿透深度为1为光束在晶体中的波长i为入射角n2和n1为样品和晶体的折射率第21页，讲稿共81张，创作于星期三22水平ATR可调角度ATR第22页，讲稿共81张，创作于星期三23ATR校正：由于存在频率歧视效应需校正。第23页，讲稿共81张，创作于星期三24用不同ATR晶体测定得到的谱图晶体折光指数测定范围颜色KRS-52.3520,000-250红ZnSe2.4220,0

10、00-600黄Si3.428300-660灰Ge4.05500-660灰第24页，讲稿共81张，创作于星期三25PAN/PVA复合膜不同入射角的ATR谱图第25页，讲稿共81张，创作于星期三26ATR谱图与一般吸收谱图的差异 ATR测定的是表面，而一般的透射方法可测定整体，在谱图中可观察到未反应的单体。第26页，讲稿共81张，创作于星期三平面ATR测定时，样品须覆盖整个晶体，否则可能引入上压板信息第27页，讲稿共81张，创作于星期三283 聚合物链结构研究聚合物链结构研究 聚合物型聚合物型谱带谱图的大部分谱带表征的是结构类似重复单元的小分子的谱图，即单质型谱带；还有一些独特的区别于小分子有机物

11、的吸收谱带，属于聚合物型谱带，如：（1）构象谱带；（2）立构规整性谱带；（3）构象规整性谱带；（4）结晶谱带。这些谱带对于聚合物的研究具有特别重要的意义。第28页，讲稿共81张，创作于星期三29在结晶PET中，大多数晶带是由-O-CH2-CH2-O-链段的反式构象结构产生构象谱带第29页，讲稿共81张，创作于星期三30立构立构规整性整性谱带顺式1,4反式1,41,2738cm-1967cm-1910cm-1第30页，讲稿共81张，创作于星期三31全同PP中的两条构象规整性谱带，与聚丙烯中长的3/1螺旋结构有关，也称螺旋谱带构象规整性谱带第31页，讲稿共81张，创作于星期三32正交晶系的聚乙烯，

12、晶胞内有两条分子链通过，由于分子链的相互作用，使CH2基团面内摇摆振动分裂为两条谱带结晶谱带第32页，讲稿共81张，创作于星期三33q 化学化学组成的成的测定定聚合物红外光谱图的分类表波数范围有最强谱带的聚合物I区1800-1700cm-1含酯、羧酸、酰亚胺等基团II区1700-1500cm-1聚酰亚胺、聚脲等III区1500-1300cm-1饱和线型脂肪族聚烯烃和一些有极性基团取代的聚烃类IV区1300-1200cm-1芳香族聚醚、聚砜和一些含氯的聚合物V区1200-1000cm-1脂肪族聚醚、醇类和含硅、含氟的聚合物VI区1000-600cm-1含取代苯、不饱和双键和一些含氯的聚合物第33

13、页，讲稿共81张，创作于星期三34q 支化度的支化度的测定定CH3CH2不同支化程度的聚乙烯第34页，讲稿共81张，创作于星期三35采用分峰技术测定聚乙烯中支链第35页，讲稿共81张，创作于星期三36样品HDPELDPELLDPE2200J5000S6100M5200B1I2A-1DFH2076DNDB7149支化度,CH3/1000C3.78.25.32.339.022.111.3不同聚乙烯的支化度第36页，讲稿共81张，创作于星期三37q 共聚物共聚物组成的成的测定定不同组成P(MMA-AN）的红外谱图CN内标第37页，讲稿共81张，创作于星期三38P(MMA-AN）共聚组成标准曲线第38

14、页，讲稿共81张，创作于星期三39q 共聚物序列分布的共聚物序列分布的测定定从上到下：PS;PMMA/PS;PMS;PMMA共聚物和共混物的差别第39页，讲稿共81张，创作于星期三40下图为MMA和St不同比例共聚物的谱图第40页，讲稿共81张，创作于星期三41 添加添加剂的影响的影响 在某种材料中加入改性剂，可以获得性能不同的新材料，其红外谱图差异可能很小，应注意观察。下图聚苯乙烯PS和高冲聚苯乙烯HIPS的谱图。第41页，讲稿共81张，创作于星期三4 聚合物聚集态结构的研究聚合物聚集态结构的研究制制样特点特点由于材料的聚集态结构是与其物理形态有关，因此在研究聚集态结构时不能破坏不能破坏样品

15、的原有形品的原有形态。PVDF第42页，讲稿共81张，创作于星期三43结晶聚合物中包括晶区和非晶区。晶区和非晶区中分子链的排列方式不同，分子之间的作用也不同。结晶聚合物中存在如下谱带：晶带：强度随结晶度增加而增大；非晶带：强度随结晶度增加而减小；内标：强度和位置都不随结晶度变化测量时应选取对结构变化敏感的晶带或非晶带进行研究。结晶的研究晶的研究第43页，讲稿共81张，创作于星期三44常用聚合物的晶带和非晶带第44页，讲稿共81张，创作于星期三45三元共聚烯烃的变温红外谱图A-H：室温升至140再降回室温注意结晶熔融变化与化学变化的差别！结晶峰晶峰非晶峰非晶峰第45页，讲稿共81张，创作于星期三

16、46q 取向的研究取向的研究在红外光路中加偏振器可测定样品的取向。当基团偶极距振动方向与偏振光方向平行，吸收被加强，反之则减弱。第46页，讲稿共81张，创作于星期三47PP单向拉伸薄膜 PP溶液铸膜第47页，讲稿共81张，创作于星期三485 聚合物反应过程的研究聚合物反应过程的研究 反反应过程研究必程研究必须解决的解决的问题 样品的采集品的采集 连续测定针对不同的研究方法设计适合的原位反应装置,以便连续测定反应的过程。间断取样考虑所取出的样品是否具有代表性(即能冻结在反应的瞬间状态)，而在取样的同时又不影响反应过程的进行。反反应过程的表征程的表征 确认哪些特征发生变化,以及如何表征这种变化。定

17、量研究定量研究 测定反应物或生成物的浓度随反应时间的变化，并依照所要确定的表征方法,定量(绝对或相对)计算反应过程。第48页，讲稿共81张，创作于星期三49由于用FTIR测定反应过程时，可以观察到结构变化，因此能研究反应机理，同时还可以计算反应速率和反应动力学。在研究过程中需要解决以下问题：1 特征峰选择；2 峰的定量测定；3 反应动力学计算。对于反应过程中减少的官能团，反应程度P为对于反应过程中产生的官能团q 聚合反应过程研究聚合反应过程研究第49页，讲稿共81张，创作于星期三50FTIR原位反应装置第50页，讲稿共81张，创作于星期三51例：例：MMA聚合反应研究聚合反应研究MMA聚合反应

18、前后分子结构有什么变化？C=C双键峰的减少与双键相连的C-H峰的减少-CH2-的生成 特征峰的特征峰的选择注意避免选择与反应无关的峰！第51页，讲稿共81张，创作于星期三52MMA聚合原位反应谱图 第52页，讲稿共81张，创作于星期三53 峰的定量峰的定量MMA聚合反应中特征峰的含量随时间的变化第53页，讲稿共81张，创作于星期三54下面的局部图是酯基谱带的变化，由于这些谱带与长链螺旋结构有关，不宜用于计算反应过程第54页，讲稿共81张，创作于星期三q 高分子材料的老化研究高分子材料的老化研究例：聚乙烯复合材料的自然老化过程，研究无机填料及其表面处理对聚乙烯老化行为和机理的影响。各种因素各种因

19、素对高分子材料老化的可能影响分析：高分子材料老化的可能影响分析：高分子材料本身分子结构、结晶度、内应力无机填料结晶度、材料内部应力分布、对光氧化反应的催化或抑制偶联剂有机/无机界面状况光氧化反应发生分子链的断裂或交联裂纹氧扩散、力学性能第55页，讲稿共81张，创作于星期三56几乎所有先进的材料研究手段都可以用于研究高分子材料的老化第56页，讲稿共81张，创作于星期三57不同老化时间聚乙烯的透射红外谱图第57页，讲稿共81张，创作于星期三58不同老化时间HDPE/高岭土复合材料的透射红外谱图第58页，讲稿共81张，创作于星期三59HDPE复合材料自然老化后的红外谱图第59页，讲稿共81张，创作于

20、星期三60HDPE复合材料自然老化过程中的CI比较羰基指数基指数第60页，讲稿共81张，创作于星期三61对羰基区的分峰处理1740cm-1 酯1720cm-1 酮1710cm-1 羧酸1645cm-1 双键第61页，讲稿共81张，创作于星期三62填充不同无机填料的聚乙烯的光氧化产物第62页，讲稿共81张，创作于星期三63HDPE复合材料的结晶度变化表面本体结晶度晶度第63页，讲稿共81张，创作于星期三646 红外显微镜在高分子材料研究中的应用红外显微镜在高分子材料研究中的应用第64页，讲稿共81张，创作于星期三65特点红外光谱仪与光学显微镜的结合，特别适用于微量和微区分析分辨率高聚焦点尖锐，最

21、小测量区域可达5m 5m灵敏度高采用MCT检测器制样方法简便可准确选取待测部位，无需事先分离无损检验保持样品原有的形态和晶体结构，样品不污染第65页，讲稿共81张，创作于星期三66复合膜的分析试样的显微照片 金刚石池压片后的试样照片 第66页，讲稿共81张，创作于星期三67定性分析结果定性分析结果:第1层 聚对苯二甲酸乙二醇 第2,6,7层 聚乙烯第3层 尼龙 第4、5层 乙烯醋酸乙烯酯共聚物 第67页，讲稿共81张，创作于星期三68高分子材料的光氧化研究样品截面的显微红外照片线扫描测定氧化程度沿深度的分布第68页，讲稿共81张，创作于星期三69LDPEHDPE线扫描得到的3D图第69页，讲稿

22、共81张，创作于星期三70第70页，讲稿共81张，创作于星期三7112 3 4 51-HDPE/绢英粉2-HDPE/云母3-HDPE/高岭土4-HDPE/硅藻土5-HDPE/碳酸钙第71页，讲稿共81张，创作于星期三721716cm-1HDPE复合材料断面的3D红外谱图HDPEHDPE/碳酸钙HDPE/绢英粉HDPE/云母HDPE/高岭土HDPE/硅藻土第72页，讲稿共81张，创作于星期三73复合材料中氧化程度沿深度的变化第73页，讲稿共81张，创作于星期三747 未知物的剖析未知物的剖析外观判断和背景信息收集原样直接分析FTIR、TGA、元素分析、燃烧实验等萃取分离及各组分定性定量分析FTI

23、R、PGC-MS等化学分解针对热固性树脂和交联聚合物梯度升温分离分析逐步分析不同温度下的挥发/分解产物其它辅助分析形貌观察、力学性能测定等多种手段的多种手段的联合解析！合解析！剖析的步剖析的步骤第74页，讲稿共81张，创作于星期三75q 高分子材料中的无机物高分子材料中的无机物作用：作用：增强：SiO2、Al2O3、CaCO3、玻璃纤维等着色：TiO2、ZnO等稳定：炭黑、ZnO等降低成本分离方法：分离方法：溶解沉淀灼烧（注意变化）氢氧化铝氧化铝第75页，讲稿共81张，创作于星期三76典型含硅填料的谱图第76页，讲稿共81张，创作于星期三77常用无机填料谱图第77页，讲稿共81张，创作于星期三78 不同产地样品的差异第78页，讲稿共81张，创作于星期三79q 高分子材料中的有机添加剂高分子材料中的有机添加剂作用：作用：增塑：邻苯二甲酸酯类等相容剂和偶联剂：共聚物、硅烷、钛酸酯、铝酸酯等稳定：抗氧剂、光稳定剂、阻燃剂等其它：发泡剂、交联剂、催化剂等分离方法：分离方法：溶剂提取低温闪蒸第79页，讲稿共81张，创作于星期三80三种典型偶联剂第80页，讲稿共81张，创作于星期三感感谢谢大大家家观观看看第81页，讲稿共81张，创作于星期三