乙綸二維中紅外光譜研究

王曉萱，賀璇兒，馮 匯，康怡然，衛(wèi)羽萱，吳夢謠，于宏偉

(石家莊學(xué)院化工學(xué)院，河北石家莊 050035)

乙綸具有強度高、密度低、絕緣性佳等優(yōu)點，廣泛應(yīng)用在紡織行業(yè)[1-2]、復(fù)合材料[3-4]、漁業(yè)工程[5-6]、建筑工程等[7-8]等領(lǐng)域。乙綸熔點為383K～393K，與其它高分子材料相比，乙綸耐熱性較差。傳統(tǒng)的中紅外(MIR)光譜廣泛應(yīng)用于高分子材料的結(jié)構(gòu)研究中[9-16]，而二維中紅外(2D-MIR)光譜則廣泛應(yīng)用于高分子材料的熱穩(wěn)定性研究[17-20]，但乙綸2D-MIR 光譜研究少見相關(guān)文獻報道。本文以乙綸為研究對象，在303K～423K 的溫度范圍內(nèi)，開展了乙綸的2D-MIR 光譜研究，為乙綸在紡織工業(yè)中的廣泛應(yīng)用提供了科學(xué)借鑒。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

乙綸(廣東省江門市鑫峰發(fā)展有限公司生產(chǎn))。

1.2 儀器與設(shè)備

Spectrum100 紅外光譜儀(Spectrumv6.3.5 操作軟件)美國PE 公司；SYDTC-01 變溫控件(控溫精度為±0.1K)英國Eurotherm 公司。

1.3 方法

1.3.1 紅外光譜儀操作條件

Spectrum100 型傅里葉紅外光譜儀(美國PE 公司)；GoldenGate 型單次內(nèi)反射ATR-FTIR 變溫附件和WEST6100＋型變溫控件(英國Specac 公司)。

1.3.2 數(shù)據(jù)獲得及處理

乙綸MIR 光譜數(shù)據(jù)獲得采用PE 公司Spectrumv6.3.5 操作軟件。乙綸2D-MIR 光譜數(shù)據(jù)獲得采用清華大學(xué)TDVersin4.2 軟件。

2 結(jié)果與分析

2.1 乙綸MIR 光譜研究

圖1 乙綸MIR 光譜(303K)

首先采用MIR 光譜(包括:一維MIR 光譜、二階導(dǎo)數(shù)MIR 光譜、四階導(dǎo)數(shù)MIR 光譜和去卷積MIR 光譜)開展乙綸的結(jié)構(gòu)研究(圖1)。研究發(fā)現(xiàn)乙綸的紅外吸收模式主要包括:νasCH2-乙綸、νsCH2-乙綸、δCH2-乙綸和ρCH2-乙綸，相關(guān)官能團的光譜信息見表1。

表1 乙綸MIR 光譜數(shù)據(jù)(303K)

2.2 乙綸2D-MIR 光譜研究

研究發(fā)現(xiàn):乙綸官能團的紅外吸收模式主要集中在“ 3000cm-1～ 2800cm-1”、“ 1500cm-1～1400cm-1”和“750cm-1～700cm-1”等三個頻率區(qū)間，因此分別在這三個頻率區(qū)間，開展了乙綸2DMIR 光譜研究，進一步開展乙綸的熱穩(wěn)定性研究。

2.2.1 “第一頻率區(qū)間”乙綸2D-MIR 光譜研究

圖2 乙綸νCH2-乙綸-二維同步2D-MIR 光譜(3000cm-1～2800cm-1)

在3000cm-1～2800cm-1頻率范圍內(nèi)，首先開展了乙綸的同步2D-MIR 光譜研究(圖2)。首先在(2850cm-1，2850cm-1)和(2912cm-1，2912cm-1)頻率處發(fā)現(xiàn)兩個相對強度較大的自動峰，進一步證明乙綸在(2850cm-1和2912cm-1)頻率處對應(yīng)的官能團對于溫度變化比較敏感。而在(2850cm-1，2912cm-1)頻率處發(fā)現(xiàn)一個相對強度較大的交叉峰，進一步證明了乙綸在(2850cm-1和2912cm-1)頻率處對應(yīng)的官能團之間存在著較強的分子內(nèi)或分子間相互作用。

圖3 乙綸νCH2-乙綸-二維異步2D-MIR 光譜(3000cm-1～2800cm-1)

在3000cm-1～2800cm-1頻率范圍內(nèi)，首先開展了乙綸的異步2D-MIR 光譜研究(圖3)。其中，分別在(2842cm-1，2848cm-1)、(2848cm-1，2852cm-1)、(2848cm-1，2918cm-1)、(2852cm-1，2910cm-1)、(2910cm-1，2918cm-1)頻率處發(fā)現(xiàn)五個相對強度較大的交叉峰，相關(guān)2D-MIR 光譜數(shù)據(jù)見表2。

表2 乙綸νCH2-乙綸-二維的2D-MIR 數(shù)據(jù)及解釋(303K～423K)

根據(jù)表2 數(shù)據(jù)和NODA 規(guī)則[17-20]可知，乙綸νasCH2-乙綸-二維對應(yīng)的紅外吸收頻率包括:2918cm-1(νasCH2-1-乙綸-二維)和2910cm-1(νasCH2-2-乙綸-二維)。乙綸νsCH2-乙綸-二維對應(yīng)的紅外吸收頻率包括:2852cm-1(νsCH2-1-乙綸-二維)、2848cm-1(νsCH2-2-乙綸-二維) 和2842cm-1(νsCH2-3-乙綸-二維)。隨著測定溫度的升高，乙綸νCH2-乙綸-二維吸收峰變化快慢的順序為:2918cm-1(νasCH2-1-乙綸-二維) ＞ 2842cm-1(νsCH2-3-乙綸-二維) ＞2852cm-1(νsCH2-1-乙綸-二維)＞2848cm-1(νsCH2-2-乙綸-二維)＞2910cm-1(νasCH2-2-乙綸-二維)。

2.2.2 “第二頻率區(qū)間”乙綸2D-MIR 光譜研究

在1500cm-1～1450cm-1頻率范圍內(nèi)，開展了乙綸的同步2D-MIR 光譜研究(圖4)。首先在(1472cm-1，1472cm-1)頻率處發(fā)現(xiàn)一個相對強度較大的自動峰，而在(1462cm-1和1472cm-1)頻率處發(fā)現(xiàn)一個相對強度較大的交叉峰。

圖4 乙綸δCH2-乙綸-二維同步2D-MIR 光譜(1500cm-1～1450cm-1)

圖5 乙綸δCH2-乙綸-二維異步2D-MIR 光譜(1500cm-1～1450cm-1)

在1500cm-1～1450cm-1頻率范圍內(nèi)，開展了乙綸的異步 2D -MIR 光譜研究(圖 5)。在(1462cm-1，1464cm-1)和(1464cm-1，1472cm-1)頻率附近發(fā)現(xiàn)兩個相對強度較大的交叉峰，相關(guān)2DMIR 光譜見表3。

表3 乙綸δCH2-乙綸-二維的2D-MIR 數(shù)據(jù)及解釋(303K～423K)

根據(jù)表3 數(shù)據(jù)和NODA 規(guī)則[13-15]可知，乙綸δCH2-乙綸-二維對應(yīng)的紅外吸收頻率包括:1472cm-1(δCH2-1-乙綸-二維)、1464cm-1(δCH2-2-乙綸-二維) 和1462cm-1(δCH2-3-乙綸-二維)。隨著測定溫度的升高，乙綸δCH2-乙綸-二維吸收峰變化快慢的順序為:1464cm-1(δCH2-2-乙綸-二維)＞1462cm-1(δCH2-3-乙綸-二維)＞1472cm-1(δCH2-1-乙綸-二維)。根據(jù)文獻報道[21]，1462cm-1和1472cm-1頻率處官能團位于乙綸晶區(qū)，而1464cm-1頻率處官能團位于乙綸非晶區(qū)。研究發(fā)現(xiàn):隨著測定溫度的升高(303K～423K)，乙綸的部分非晶區(qū)結(jié)構(gòu)最先發(fā)生改變，而部分晶區(qū)結(jié)構(gòu)相對較為穩(wěn)定。

2.2.3 “第三頻率區(qū)間”乙綸2D-MIR 光譜研究

圖6 乙綸ρCH2-乙綸-二維同步2D-MIR 光譜(750cm-1～700cm-1)

在750cm-1～700cm-1頻率范圍內(nèi)，開展了乙綸的同步2D -MIR 光譜研究(圖6)。首先在(716cm-1，716cm-1)和(728cm-1，728cm-1)頻率處發(fā)現(xiàn)了兩個相對強度較大的自動鋒，而在(716cm-1，728cm-1)和(716cm-1，732cm-1)頻率處發(fā)現(xiàn)二個相對強度較大的交叉峰。

圖7 乙綸ρCH2-乙綸-二維異步2D-MIR 光譜(750cm-1～700cm-1)

在750cm-1～700cm-1頻率范圍內(nèi)，進一步開展了乙綸的異步2D-MIR 光譜研究(圖7)。首先在(716cm-1，720cm-1)、(716cm-1，728cm-1) 和(728cm-1，732cm-1)頻率處發(fā)現(xiàn)了三個相對強度較大的交叉峰，相關(guān)2D-MIR 光譜見表4。

表4 乙綸ρCH2-乙綸-二維的2D-MIR 數(shù)據(jù)及解釋(303K～423K)

根據(jù)表4 數(shù)據(jù)和NODA 規(guī)則可知，乙綸ρCH2-乙綸-二維對應(yīng)的紅外吸收頻率包括:732cm-1(ρCH2-1-乙綸-二維)、728cm-1(ρCH2-2-乙綸-二維)、720cm-1(ρCH2-3-乙綸-二維)和716cm-1(ρCH2-4-乙綸-二維)。隨著測定溫度的升高，乙綸ρCH2-乙綸-二維吸收峰變化快慢的順序為:732cm-1(ρCH2-1-乙綸-二維) ＞ 720cm-1(ρCH2-3-乙綸-二維)＞716cm-1(ρCH2-4-乙綸-二維)＞728cm-1(ρCH2-2-乙綸-二維)。根據(jù)文獻報道[21]，732cm-1和720cm-1頻率處官能團位于乙綸晶區(qū)，而728cm-1頻率處官能團位于乙綸非晶區(qū)，716cm-1頻率處官能團未見相關(guān)文獻報道，筆者認為其歸屬于非晶區(qū)。研究發(fā)現(xiàn)(303K～423K):隨著測定溫度的升高，乙綸的部分晶區(qū)結(jié)構(gòu)最先發(fā)生改變，而部分非晶區(qū)結(jié)構(gòu)相對較為穩(wěn)定。

3 結(jié)論

乙綸的紅外吸收模式主要包括νasCH2-乙綸、νsCH2-乙綸、δCH2-乙綸和ρCH2-乙綸。在303K～423K 的溫度范圍內(nèi)，隨著測定溫度的升高，乙綸νCH2-乙綸-二維吸收峰變化快慢的順序為:2918cm-1(νasCH2-1-乙綸-二維) ＞2842cm-1(νsCH2-3-乙綸-二維) ＞2852cm-1(νsCH2-1-乙綸-二維)＞2848cm-1(νsCH2-2-乙綸-二維)＞2910cm-1(νasCH2-2-乙綸-二維)；乙綸δCH2-乙綸-二維吸收峰變化快慢的順序為:1464cm-1(δCH2-2-乙綸-二維)＞1462cm-1(δCH2-3-乙綸-二維)＞1472cm-1(δCH2-1-乙綸-二維)；乙綸ρCH2-乙綸-二維吸收峰變化快慢的順序為:732cm-1(ρCH2-1-乙綸-二維)＞720cm-1(ρCH2-3-乙綸-二維)＞716cm-1(ρCH2-4-乙綸-二維)＞728cm-1(ρCH2-2-乙綸-二維)。本文為研究乙綸結(jié)構(gòu)及熱穩(wěn)定性建立一個方法學(xué)，具有重要的理論研究價值。