红外光谱研究聚吡咯沉积在掺杂羊毛的相互作用

红外光谱研究聚吡咯沉积在掺杂羊毛的相互作用
红外光谱研究聚吡咯沉积在掺杂羊毛的相互作用

Fibers and Polymers 2006, Vol.7, No.2, 105-111

105

FT-IR Study of Dopant-wool Interactions During PPy Deposition

Alessio Varesano, Annalisa Aluigi, Claudio Tonin *, and Franco Ferrero 1

CNR-ISMAC, Institute for Macromolecular Studies, C.so G . Pella, 16 – 13900 Biella, Italy

1

Politecnico di Torino, Dip. Scienza dei Materiali e Ing. Chimica, C.so Duca degli Abruzzi, 24 – 10129 Torino, Italy

(Received January 20, 2006; Revised March 8, 2006; Accepted April 7, 2006)

Abstract: Coating the fibre surface by in situ oxidative chemical polymerisation of polypyrrole (using FeCl 3 as oxidant) is a readily industrial applicable way to give electrical properties to wool with good ageing stability [1], although pre-treatments are required to avoid damage of the cuticle surface due to the acidic condition of the process. FT-IR and EDX analysis reveal that organic sulphonates and sulphates, used as dopants, are absorbed by wool, while chlorine ions are preferably embedded on the polypyrrole layer. The resulting electrical conductivity seems mainly due to the presence of chlorine as counter-ion of polypyrrole; nevertheless, the presence of arylsulphonate in the polymerisation bath increases the electrical conductivity of the coating layer.

Keywords: Polypyrrole, Conducting polymer, Dopant, Wool, Textile

Introduction

Textile materials generally show poor electrical conductivity.Several methods have been developed to improve the electrical properties of synthetic fibres, but few of them are suitable for natural fibres, particularly for wool. Coating the fibre surface with a thin film of conducting polymers (i.e. π-conjugated polymers as polypyrrole and polyaniline) by in situ chemical oxidative polymerisation in the presence of organic dopants, is the most promising way to improve the electrical performances of natural fibre based textiles, since conducting polymers have already demonstrate good affinity to protein and cellulose fibres [1-3].

Doped π-conjugated polymers produced by oxidative polymerisation, contain positive charges on the backbone chain. It is supposed that the charged species are polarons (charge +e, spin 1/2) and bipolarons (+2e, 0), which are delocalized over portion of several monomer units. The mobility of charged species along the polymer chain is responsible for the electrical conduction. The charges are neutralized through the introduction in the polymer structure of negative charged counter-ions. The counter-ions (also called dopants) play an important role in the synthesis of conducting polymers, because they promote the stability of polarons and bipolarons producing complexes [4,5].

In the case of polypyrrole (PPy), positive charges are formed in the backbone chain during the chemical oxidative polymer-isation. A wide range of counter-ions can be incorporated into PPy; they are generally organic sulphonates or sulphates [6-9]or inorganic ions such as ClO 4?, Cl ?, NO 3?, SO 42? [9-11].The type of counter-ion greatly influences the properties (e.g. morphology, structure, conductivity and stability) of the whole polymer [9,12-14].

On the other hand, it is well known that anionic surfactants,in particular alkylsulphates or arylsulphonates, are absorbed

by wool [15-17] and a recent work [18] has disclosed that sodium dodecylsulphate, absorbed onto wool surface, forms bilateral micelles. Moreover, it was demonstrated that anionic surfactants in acidic condition, greatly increase the acid damage of wool [15].

In a previous work [19], differences in electrical conductivity were obtained for PPy coating on different kinds of wool subjected to usual industrial treatments. In particular, the electrical conductivity was found to decrease following the series: Hercosett ? wool > Basolan ? wool > raw wool >Mohair fibres.

Knitted fabrics were already industrially produced from conductive wool fibres treated with PPy. The fabrics showed good properties, satisfactory performances and stability to use [1]. Moreover, it seemed that some interactions between fibres and dopant took place during the PPy deposition processes, although an exhaustive study on the interactions between the reagents (oxidant, dopant, monomer) and the substrate was not yet carried out, in spite of those influence the deposition process and the final result.

Experimental

Materials

The chemicals used were Pyrrole, 97% (Py, Fluka) as monomer; Iron (III) Chloride Hexahydrate, 98% (FeCl 3,Fluka) and Ammonium Persulfate, 98+% (APS, Aldrich) as oxidants; Naphthalenedisulfonic acid, disodium salt, 97%(NDS, Aldrich), Naphthalenesulfonic acid, sodium salt, 90%(NS, Aldrich), Dodecylsulfate, sodium salt, 98% (DS, Aldrich)and Dodecylbenzenesulfonic acid, sodium salt, tech. (DBS,Aldrich) as dopants. Other chemicals were Hydrochloric Acid 0.5M (HCl, Riedel-de Ha?n) for pH correction and Nonylphenol-20-Ethylenglycol Ether (NPE, Ilario Ormezzano SAI) as non-ionic surfactant to facilitate the impregnation of wool.

Loose fibres were Hercosett ? merino wool (18.6μm),

*Corresponding author: c.tonin@https://www.360docs.net/doc/0216411501.html,r.it

106Fibers and Polymers 2006, Vol.7, No.2Alessio Varesano et al.

Basolan? merino wool (21μm), raw merino wool (19.5 μm) and Mohair fibres (30 μm) supplied by Filatura di Trivero S.p.A. (Gaglianico, Italy). Hercosett? and Basolan? processes are frequently used to provide felt-proofing and shrink-resistance to wool. The Hercosett?process consists of an acid chlorination step followed by the application of a polymer thin film (e.g. cationic cross-linking polyamide-epichlorhydrin polymer) on the fibre surface, in order to envelop the external scales of the cuticle cells and prevent fibres motion with differential friction in the tip-root direction, which is recognised to be responsible for shrinking and felting [16,20-23]. The chlorination results in the oxidation of cystine residues into cysteic acid residues on the surface of the wool fibres and allows the cationic polymer to spread and adhere to the wool surface [22,23]. The Basolan? process consists of a chlorination step (e.g. dichloroisocyanurate salt) followed by neutralisation and dechlorination; resistance to shrink and felt is mainly due to the oxidative corrosion of the surface scale-shaped cuticle cells [21,24]. The fibres were used as received because already scoured and no additives were present.

Methods

A first series of samples was treated with dopants (NDS, NS, DS or DBS) and oxidants (FeCl3 or APS) or pH corrector (HCl) with the aim of evidencing the interaction between the reagents and the fibres. The concentrations of the solutions were 0.105 N of oxidant or HCl, 0.0175 M of dopant. The treatments were carried out at room temperature in the presence of the non-ionic surfactant (NPE) with water/fibres and NPE/fibres ratios 50 w/w and 0.03 w/w respectively; then the samples were rinsed twice in demineralised water.

A second series of samples was coated with PPy produced by an in situ chemical polymerisation in aqueous solutions. In the PPy deposition, the fibres were placed in a stirred aqueous solution containing FeCl3, NDS and non-ionic surfactant for about 15 minutes. After the monomer was added, the solutions became black in a few minutes and the stirring was stopped. The concentrations of the polymerisation bath were 0.105 M of FeCl3, 0.0175 M of NDS and 0.05 M of monomer (Py). The samples were pulled out from the solution after 5 h, rinsed in water and dried. PPy coated wool fibres were industrially spun and knitted, as reported elsewhere [1]. Another lot of wool was treated without the dopant in the same condition, in order to compare the electrical conductivity. SEM investigation was performed with a LEO (Leica Electron Optics) 135 VP SEM, at an acceleration voltage of 15 kV and at 18 mm working distance. The fibres were mounted on aluminium specimen stubs with double-sided adhesive tape and sputter-coated with a gold layer in rarefied argon, using an Emitech K550 Sputter Coater, with a current of 20 mA for 180 s.

SEM-EDX analysis were performed by an Oxford Instruments Model 7060 Link ISIS interfaced to a PC using 4096 channels in the range of 10 keV, with a preset integral of 16000 counts between 0.00 and 3.00 keV. X-ray microanalysis was performed with a dead time of about 25%, 400 pA probe current, 15kV accelerating voltage and 18 mm working distance. FT-IR spectra were acquired by means of a Thermo Nicolet Nexus spectrometer, by attenuated total reflection (A TR) technique with the Smart Endurance accessory, in the range from 4000 to 550 cm?1 with 100 scansions and 4 cm?1 of band resolution and normalized to the amide I band at 1630 cm?1. Domestic and commercial washing fastness were evaluated by an Original Hanau Linitest apparatus using the ECE detergent distributed by EMPA Testmaterials, according to EN ISO 105-C06:1997 A1S. Abrasion tests were performed using a Nu-Martindale abrasion and pilling tester from James Heal & Co., with a load of 12 kN, according to EN ISO 12947-1:1998.

Electrical resistance was measured in a conditioned laboratory (20o C, 65% RH) by means of a digital Multimeter Escort 170 connected with the long sides of sample (8 cm×4 cm) by 16 terminals.

Results and Discussion

Analysis of Blank Treated Wool

Hercosett?, Basolan?, raw wool and Mohair fibre samples, treated for 1h with FeCl3 and NDS in aqueous solution as previously described, and rinsed twice for 5 minutes in about 400 m l of stirred demineralised water to eliminate the excess of reagents, showed an intense permanent yellowing.

The SEM images of the fibres are reported in Figure 1. The surface of wool fibres consists of cuticle cells overlapping to form a structure like tiles on a roof. In Mohair fibres, this typical scaled structure is less emphasized and the surface is smoother because the cuticle cells are thinner. As can be noted, Hercosett? wool (a) and Basolan? wool (b) show no damage of the cuticle cells, on the contrary of raw wool (c) and Mohair fibres (d). The explanation may be that the acidic chlorine-based oxidation step in Hercosett?and Basolan?processes essentially modify the cuticle cells [20-23]: raw wool (c) and Mohair fibres (d), which were not previously treated, show the detachment of some cuticle cells, in accordance with literature which asserts that surfactants can have a significant influence on the reactions of wool to acids [15]. Figure 2 shows the FT-IR spectra of NDS dopant powder, FeCl3/NDS treated samples (thick lines) and untreated wool (thin lines) for comparison. NDS spectrum shows the typical absorption of aromatic sulphonates. The bands in the range 1250-1000 cm?1 can be attributed mainly to -SO3? groups and in particular to the asymmetric and symmetric S=O stretching vibrations, whereas the bands at 830, 660 and 620 cm?1 can be assigned to the aromatic C-H bending vibration absorptions. The spectra of the untreated samples (thin lines) show the typical featuring of keratins. Peptide group (-CONH-) give spectral bands at 1630, 1520 and 1235 cm?1 assigned to I, II

FT-IR Study of Dopant-wool Interactions During PPy Deposition Fibers and Polymers 2006, Vol.7, No.2107

and

III amides, respectively. Finally, the spectra of FeCl 3/NDS treated samples show some modification in the range of 1250~1000 cm ?1 and below 700 cm ?1. The positions of these new sharp peaks are in good agreement with the bands of the NDS. Moreover, the peak intensity of the sharp peak at 1030cm ?1 decreases in the order: Hercosett ? wool > Basolan ?

wool > raw wool > Mohair fibres. Thus, it seems that the NDS was absorbed onto the fibres, and in particular on Hercosett ? and Basolan ? treated wools. The band at 1390cm ?1 attributed to -CH 3 bending [25] strongly decreases in intensity in the spectra of the treated samples. Wool contains a large amount of amino acids with methyl-terminal side chain: Alanine (5.2%), Isoleucine (3.1%), Leucine (7.0%),Threonine (6.6%), V aline (5.5%) and Methionine (0.4%). The disappearance of that band is probably due to conformational rearrangements induced by acidic condition, which hind the -CH 3 symmetric bending mode.

Samples of Hercosett ? wool were treated for 5h in aqueous solution, as previously described, with FeCl 3 or HCl or APS only, and rinsed twice for 5 minutes in about 400 m l of stirred demineralised water. Only the fibres treated with FeCl 3became yellow-brown. FT-IR analysis of these samples is reported in Figure 3. No significant modifications were noted in the spectra of FeCl 3 6 (b) and HCl treated (c) Hercosett ?wools with respect to untreated (a) Hercosett ? wool. The spectrum of APS treated (d) Hercosett ? wool shows an absorption increase in the range 1140-1100 cm ?1 due to S-O stretching of the oxidized species of cystine S-S bonds (Cys-S-S-Cys). In particular, the absorption bands at 1040, 1070and 1124 cm ?1 are assigned respectively to cysteic acid (Cys-

Figure 1. SEM images of FeCl 3/NDS treated (a) Hercosett wool (×3000), (b) Basolan wool (×2000), (c) raw wool (×1500), (d) Mohair fibres (×1500).

Figure 2. FT-IR spectra of NDS powder, untreated (thin line) and FeCl 3/NDS treated (thick line) wool: (a) Hercosett wool, (b)Basolan wool, (c) raw wool, (d) Mohair.

108Fibers and Polymers 2006, Vol.7, No.2Alessio Varesano et al.

SO

3H), cystine-S-monoxide (Cys-SO-S-Cys) and cystine-S-dioxide (Cys-SO 2-S-Cys) [1,26-28] produced by the treatment with APS, not evidenced after the previous described treatment with FeCl 3. On the other hand,

the absorption band of inorganic sulphate is centred near 1100 cm ?1 [26]; therefore,it is possible that some residues of APS contribute to the

absorption increase. The bands of cysteine-S-sulphonate (or Bunte salt, Cys-S-SO 3H) at 1024 and 1190 cm ?1 [1,26-28]remain the same, as expected.

Figure 4 shows FT-IR spectra of Hercosett ? wool after different NDS treatments lasting 5h in aqueous solution,after being rinsed twice for 5 minutes in about 400 m l of stirred demineralised water. The FT-IR spectrum (b) of the sample treated with NDS does not show the NDS absorption

bands, indicating that the dopant is not absorbed by the wool and it is removed in consequence of the rinses. On the other hand, the spectrum (c) of APS/NDS treated Hercosett ? wool shows weak absorptions in the range 1100-1000 cm ?1 related to the cystine oxidation (as previously reported), whereas the spectra (d) of HCl/NDS treated wool and (e) of FeCl 3/NDS treated wool show sharp peaks at 1085, 1025, 660 and 620cm ?1 and a broad band at 1175 cm ?1, already attributed to NDS (see Figure 2). Thus, the presence of NDS onto the Hercosett ? wool seems to be promoted by an acidic pH.Samples of Hercosett ? wool were treated for 1h with a solution of FeCl 3 and dopant, and rinsed twice for 5 minutes in about 400m l of stirred demineralised water. It should be highlighted that NS and DBS slowly react with ferric ions and form a gelatinous precipitate in about 3h. On the contrary,DS rapidly precipitate with FeCl 3, hence the suspension was filtered and the clarified solution was used to treat the fibre samples. Figure 5 shows FT-IR spectra of the dopant powder (thin line) and treated Hercosett ? wool (thick line). The main changes in the spectra of treated wool with respect to the untreated one (a) are reported in Table 1 and compared with peaks of the dopant powder. In the FeCl 3/NDS and FeCl 3/NS treated wool samples, it is interesting to note a shift at lower wavenumbers of the symmetric S-O stretching vibrations,suggesting interactions between dopants and wool. In the acidic condition (pH < 4), the amino and carboxyl groups and the side-chains of wool keratins are in the cationic form (H 3N +-wool-COOH), therefore this could promote electrostatic interactions between keratin chains and anionic groups (-SO 32?)of dopants. All the dopants tested in our experiments were absorbed or fixed onto wool, but solely the NDS is suitable for the doped PPy deposition, due to its stability in solution with FeCl 3.

Figure 3. FT-IR spectra of (a) untreated wool, (b) FeCl 3 treated wool, (c) HCl treated wool, (d) APS treated wool.

Figure 4. FT-IR spectra of (a) untreated wool, (b) NDS treated wool, (c) APS/NDS treated wool, (d) HCl/NDS treated wool, (e)FeCl 3/NDS treated wool.

Figure 5. FT-IR spectra (a) untreated wool, (b) NDS powder (thin line) and FeCl 3/NDS treated wool (thick line), (c) NS powder (thin line) and FeCl 3/NS treated wool (thick line), (d) DS powder (thin line) and FeCl 3/DS treated wool (thick line), (e) DBS powder (thin line) and FeCl 3/DBS treated wool (thick line).

FT-IR Study of Dopant-wool Interactions During PPy Deposition Fibers and Polymers 2006, Vol.7, No.2

109

Figure 6. EDX spectra (a) FeCl 3 treated wool, (b) FeCl 3/NDS treated wool, (c) freshly PPy coated wool, (d) knitted fabric from PPy coated wool, (e) knitted fabric from PPy coated wool after washing test.

Table 1. New absorption bands in the FT-IR spectra of FeCl 3/dopant treated wool related to some dopant peaks (see Figure 5)

Dopant

New peaks (cm ?1)

Dopant peaks (cm ?1)

NDS

117511801085110010251045660660620620NS 116011801085110010251045DS

120012151000~9001000~900DBS

1170118511301125104010451010

1010

Figure 7. FT-IR spectra (a) freshly PPy coated wool, (b) knitted fabric from PPy coated wool after abrasion test (40000 run), (c)knitted fabric from PPy coated wool after three washing cycles.

Table 2. Surface resistivity after domestic washing cycles Number of washing cycles 0123Resistivity (k ?/square)

0.94 4.6417.342.5CV (%)

8.7

2.3

8.6

12.2

Analysis of PPy Coated Wool

PPy coated Hercosett ? wool fibres, obtained as previously described, were industrially intersected, spun and knitted producing electrically conducting fabrics with a cover factor of 1.27 mm tex (according to Woolmark Test Method 169),good handle and a deep and even black colour.

The fabric obtained from PPy coated Hercosett ? wool with NDS was tested for domestic and commercial washing and abrasion resistance. Fabric samples were examined with EDX microanalysis, FT-IR and SEM.

EDX spectra are reported in Figure 6. In every sample,

gold is present due to sample preparation (sputter coating)and sulphur is naturally widely present in wool keratin. The spectra (a) and (b) are related to FeCl 3 and FeCl 3/NDS treated wool respectively. The spectrum (a) shows a huge presence of chlorine and iron; instead, the spectrum (b) shows some presence of chlorine and iron in traces. In addition, NS and DBS showed the same behaviour, but the spectra are not reported here for sake of brevity. The spectrum (c) of freshly PPy coated Hercosett ? wool shows the peak of chlorine.Thus, it seems that NDS was absorbed by wool preferably with respect to chlorine; whereas chlorine was embedded onto PPy, leading to an improvement of the PPy properties that could be attributed to structural changes [29]. Moreover,the absence of sulphur in the spectra (c) could demonstrate that the size of the sample-beam interaction volume does not exceed the PPy thickness and the PPy only was detected.Chlorine is still present in the spectrum (d) referring to newly knitted fabric, whereas the chlorine peak completely disappears after three washing cycles, as shown by spectrum (e). Table 2 reports the electrical resistance of the washed samples and the coefficient of variation (CV%) of the measurements. A decrease in conductivity is observed. On the other hand, the degree of the colour degradation after the washing cycles was evaluated to be 4/5 (when 5 is excellent stability and 1 is poor). Thus, the loss in conductivity seems slightly related to the leak of PPy, but rather due to the lowering of chlorine partially compensated by ions OH ? [30,31].

110Fibers and Polymers 2006, Vol.7, No.2Alessio Varesano et al.

Figure 7 reports the FT-IR spectra of freshly coated fibres (a), knitted fabric from PPy coated Hercosett? wool after the abrasion test (b) and after three washing cycles (c). The spectrum (a) shows some weak bands in the region 1700-1200 cm?1 probably due to the overlapping of spectral features of PPy and wool [1]. In the literature, Davidson and Turner [8] assigned the band at 960 cm?1 to fraction of PPy free from the influence of the dopant. Spectral features of wool are mainly shown in the region 1700-1200 cm?1 of the spectra (b) and (c), but the increase in intensity of the amide II at 1520 cm?1(with respect to the amide I at 1630 cm?1) is probably due to contributions of C=C/C-C stretching of PPy [8]. The sharp bands at 1085, 1025, 660 and 620 cm?1in the spectrum (b) are the signal of the presence of NDS, as previously said. Whereas, in the spectrum (c) the absorption bands at 1170, 1030 and 910 cm?1 are quite similar to the feature of the spectrum (a), and may be attributed to PPy ring breathing, C-H in-plane bending and C-H bending [8] respectively. The band at 960 cm?1is still present and its position is stable even after washing, is in good agreement with the conclusions of Davidson and Turner [8].

SEM image in Figure 8 shows the PPy coated Hercosett?wool fabric after the abrasion tests. As the sample was not sputter-coated with gold in this case, the zones where the PPy coating was mechanically removed by abrasion appear white, due to the lack of conductivity that causes electrical charge accumulation from the primary electron beam of the microscope. The appearance of NDS absorption bands after the abrasion test is related to the huge decoating. It was pointed out that, although the fabric was seriously damaged, its electrical conductivity remains satisfactory [1].

For comparison, the electrical resistivity was also measured on the fabrics produced from both coated Hercosett? wool with NDS and coated Hercosett? wool without NDS, obtaining average surface resistivities of 940 and 1400?/square, respec-tively. This result shows that the presence of NDS in the polymerisation bath enhances the electrical conductivity.

Conclusion

In this study, loose wool fibres were coated with PPy by in situ chemical oxidative polymerisation, with the aim of producing electrical conductive wool textiles for apparel and technical uses. Untreated fibres (i.e. raw wool and Mohair) showed the damage of the cuticle layer after treatments with FeCl3 and dopants, while shrink resistant fibres (i.e. Hercosett?and Basolan? treated wool) were particularly suitable for the PPy deposition process. Wool shows an interaction with organic dopants during polymerisation. The interaction plays an important role on the resulting properties. FT-IR and EDX analysis show that the organic dopant is preferably absorbed by wool, whilst chlorine is preferably embedded onto the conductive PPy coating as counter-ion. On the other hand, loss of chlorine from the PPy/wool composite was observed after washing, leading to an increase of the surface resistivity of the fabrics; nevertheless, the presence of NDS in the polymerisation bath enhances the final electrical conductivity.

References

1.A. V aresano, L. Dall’Acqua, and C. Tonin, Polymer Deg-

radation and Stability, 89, 125 (2005).

2.A. Kaynak, L. Wang, C. Hurren, and X. Wang, Fibers and

Polymers, 3, 24 (2002).

3.R. Hirase, T. Shikata, and M. Shirai, Synthetic Metals, 146,

73 (2004).

4.N. Kirova and S. Brazovskii, Synthetic Metals, 76, 229

(1996).

5.G. Paasch, Solid State Ionics, 169, 87 (2004).

6.M. K. Song, Y. T. Kim, B. S. Kim, J. Kim, K. Char, and H.

W. Rhee, Synthetic Metals, 141, 315 (2004).

7.L. Ruangchuay, A. Sirivat, and J. Schwank, Synthetic Metals,

140, 15 (2004).

8.R. G. Davidson and T. G. Turner, Synthetic Metals, 72, 121

(1995).

9.H. H. Kuhn and A. D. Child in “Handbook of Conducting

Polymers”, 2nd ed. (T. A. Skotheim, R. L. Elsenbaumer, and J. R. Reynolds Eds.), Marcel Dekker, New York, 1998.

10.H. Nguyen Cong, K. El Abbassi, J. L. Gautier, and P.

Chartier, Electrochimica Acta, 50, 1369 (2005).

11.V. T. Troung, B. C. Ennis, and M. Forsyth, Synthetic Metals,

69, 479 (1995).

12.L. F. Warren, J. A. Walker, D. P. Anderson, C. G. Rhodes,

and L. J. Buckley, Journal of the Electrochemical Society, 136, 2286 (1989).

13.L. Ruangchuay, A. Sirivat, and J. Schwank, Synthetic Metals,

140, 15 (2004).

14.Y. Shen and M. Wan, Synthetic Metals, 96, 127 (1998).

15.J. C. Dickinson, Wool Science Review, 51, 43 (1975).

16.A. de la Maza, J. L. Parra, J. Sánchez Leal, and F.

Comelles, Text. Res. J., 59, 173 (1989).

17.L. A. Holt and J. Onorato, Text. Res. J., 59

, 653 (1989). Figure 8. SEM image of the fabric after abrasion test.

FT-IR Study of Dopant-wool Interactions During PPy Deposition Fibers and Polymers 2006, Vol.7, No.2111

18.X. Geng, F. Xie, H. Zhang, X. Wang, and J. Xing, Colloids

and Surfaces A: Physicochemical and Engineering Aspects, 257, 89 (2005).

19.A. V aresano, Italian Patent, TO2004A000654 (2004).

20.J. D. Floyd, U. S. Patent, 2961347 (1960).

21.K. R. F. Cockett, Wool Science Review, 56, 2 (1979).

22.J. Lewis, Wool Science Review, 54, 2 (1977).

23.J. Lewis, Wool Science Review, 55, 23 (1978).

24.D. Joci, P. Jovani, R. Trajkovi, and G. Sele?, Text. Res. J.,

63, 619 (1993).

25.P. Taddei, P. Monti, G. Freddi, T. Arai, and M. Tsukada,

Journal of Molecular Structure, 650, 105 (2003).

26.A. L. Woodhead, F. J. Harrigan, and J. S. Church, Vibra-

tional Spectroscopy, 15, 179 (1997).

27.F. J. Douthwaite, D. M. Lewis, and U. Schumacher-Hamedat,

Text. Res. J., 63, 177 (1993).

28.M. Diz, D. Joci, M. R. Infante, and P. Erra, Text. Res. J.,

67, 486 (1997).

29.K. Koga, T. Iino, S. Ueta, and M. Takayanagi, Polymer

Journal, 21, 499 (1989).

30.Y. Li, J. Ouyang, and J. Yang, Synthetic Metals, 74, 49

(1995).

31.A. André, P. Degobert, F. Henry, S. Bittard, and S. Morin,

Journal de Chimie Physique et de Physico-Chimie Biologique, 95, 1295 (1998).

如何解析红外光谱图解读

如何解析红外光谱图 一、预备知识 (1)根据分子式计算不饱和度公式: 不饱和度Ω=n4+1+(n3-n1)/2其中: :化合价为4价的原子个数(主要是C原子), n 4 :化合价为3价的原子个数(主要是N原子), n 3 n :化合价为1价的原子个数(主要是H,X原子) 1 (2)分析3300~2800cm-1区域C-H伸缩振动吸收;以3000 cm-1为界:高于3000cm-1为不饱和碳C-H伸缩振动吸收,有可能为烯,炔,芳香化合物;而低于3000cm-1一般为饱和C-H伸缩振动吸收; (3)若在稍高于3000cm-1有吸收,则应在 2250~1450cm-1频区,分析不饱和碳碳键的伸缩振动吸收特征峰,其中炔 2200~2100 cm-1,烯 1680~1640 cm-1 芳环 1600,1580,1500,1450 cm-1若已确定为烯或芳香化合物,则应进一步解析指纹区,即1000~650cm-1的频区,以确定取代基个数和位置(顺、反,邻、间、对); (4)碳骨架类型确定后,再依据官能团特征吸收,判定化合物的官能团; (5)解析时应注意把描述各官能团的相关峰联系起来,以准确判定官能团的存在,如2820,2720和1750~1700cm-1的三个峰,说明醛基的存在。 二、熟记健值 1.烷烃:C-H伸缩振动(3000-2850cm-1)C-H弯曲振动(1465-1340cm-1) 一般饱和烃C-H伸缩均在3000cm-1以下,接近3000cm-1的频率吸收。 2.烯烃:烯烃C-H伸缩(3100~3010cm-1),C=C伸缩(1675~1640 cm-1),烯烃C-H 面外弯曲振动(1000~675cm-1)。 3.炔烃:炔烃C-H伸缩振动(3300cm-1附近),三键伸缩振动(2250~2100cm-1)。 4.芳烃:芳环上C-H伸缩振动3100~3000cm-1, C=C 骨架振动1600~1450cm-1, C-H 面外弯曲振动880~680cm-1。 芳烃重要特征:在1600,1580,1500和1450cm-1可能出现强度不等的4个峰。C-H面外弯曲振动吸收880~680cm-1,依苯环上取代基个数和位置不同而发生变化,在芳香化合物红外谱图分析中,常用判别异构体。

红外光谱的研究与发展

红外光谱的发展与展望 红外光谱一般分为近红外(Near InfraredSpectrum),中红外(Middle Infrared Spectrum)和远红外(Far Infrared Spectrum)三个区域,波长分别为780)3000nm, 3000)25000nm和25)50Lm。众所周知中红外光谱是广泛应用的一种分析手段。近红外光谱几十年来一直没有在理论上和应用受到重视,其主要原因在于该区内的吸收是O)H、N)H、C)H等基团的振动吸收。这些吸收谱带复杂,多为合频吸收,且吸收强度较弱,难以在分析上应用。近年来,随着仪器制造技术的发展,新的光谱理论和光度分析新方法不断建立,特别是化学计量学的深入研究和广泛使用,促进了NIR分析技术的复兴和发展。 1 近红外光谱分析技术 根据NIR光谱的发生机理,使用的NIR分析技术主要有以下几种: 1.透射测定法使用于透明样品的分析,透射光强度与物质量间的吸收关系符合比尔定律。 2.漫透射测定法试样中含有光散射物质(折射率与基体材料不同的小颗粒),光在穿透分析样品时,除了吸收外还有多次的散射,在这个过程中比尔定律不适用。 3.反射测定法近红外光照射到样品表面后,根据样品表面状态和结构的不同,光线可以有规则的反射、漫反射和透反射三种。这种方法常用于粗糟和粉末状样品的测定。目前市场上常见的NIR光谱仪大多属于反射型尤其是漫反射型,有个别的专用的NIR分析仪器是在UV/IR光度计基础上改进的NIR透射型分析仪。NIR 和MIR一样,反映的是分子的振动频谱,其结果直接与分子的内部结构、分子官能团及分子状态有关,从NIR谱中同样可以得到分子的定量定性信息。与MIR不同的是NIR反射谱还可以得到一系列物理性质,如密度、粒子尺寸、纤维直径、大分子聚合度等特殊信息。根据NIR光谱发生的机理可知NIR谱带较弱,这样给长光程试样池特别是粘滞样品、流体试样的在线分析提供了极大的便利。使得分析时不需要对分析样品进行复杂预处理,池长对分析结果影响较小,定量分析的范围大等优点。NIR光谱分析的另一个特点是光源强度较大,探测器的反应灵敏度较高,因而检测信噪比高,尤其在散射效应强时,散射/吸收比高。在反射和散射NIR中,高的信噪比,可以得到良好的线性关系,对分析样品的外观宽容度大,既可以用于清澈的气、液、固样品的测定,又可对粉末状、糊状、丝状和不规则状样品的分析。NIR分析还有价格便宜耐用的透明材料(一般的光学玻璃)作为分析窗口,便于实现快速、实时、在线分析和控制。光纤传感技术的迅速发展,也为NIR分析技术提供了长距离检测传输、遥测、遥控等应用的可能性,特别是在有毒、易爆、放射性及其它难以直接测量的样品或现场更有意义。NIR光谱在使用中也有一定的局限性,主要是结构复杂,谱图重叠多,在进行定性定量分析中必须采用一定的数据处理才能获得准确可靠的分析结果。在定量分析中,导数光谱的应用可明显的消除基线漂移的影响,二阶导数可消除基线倾斜所造成的误差,两个相邻波长的一阶导数之比,可对光谱重叠和光谱干扰进行校正。多元线性回归分析方法是进行多组分分析的常用方法,选择合适的波长点和波长间隔,可用统计分析的方法验证分析结果。偏最小二乘法(partial least-square PLS)则是一种全光谱分析方法,该法充分利用了多个波长下的有用信息,不须刻意的选择波长,并且能滤去原始数据的噪音,提高信噪比可解决一些有交互影响的非线性问

红外图谱分析方法大全

红外光谱图解析 一、分析红外谱图 (1)首先依据谱图推出化合物碳架类型,根据分子式计算不饱和度。 公式:不饱和度=F+1+(T-O)/2 其中: F:化合价为4价的原子个数(主要是C原子); T:化合价为3价的原子个数(主要是N原子); O:化合价为1价的原子个数(主要是H原子)。 F、T、O分别是英文4,3 1的首字母,这样记起来就不会忘了 举个例子:例如苯(C6H6),不饱和度=6+1+(0-6)/2=4,3个双键加一个环,正好为4个不饱和度。 (2)分析3300~2800cm^-1区域C-H伸缩振动吸收,以3000 cm^-1为界,高于3000cm^-1为不饱和碳C-H伸缩振动吸收,有可能为烯、炔、芳香化合物吗,而低于3000cm^-1一般为饱和C-H伸缩振动吸收。 (3)若在稍高于3000cm^-1有吸收,则应在2250~1450cm^-1频区,分析不饱和碳碳键的伸缩振动吸收特征峰,其中: 炔—2200~2100 cm^-1 烯—1680~1640 cm^-1 芳环—1600、1580、1500、1450 cm^-1 若已确定为烯或芳香化合物,则应进一步解析指纹区,即1000~650cm^-1的频区,以确定取代基个数和位置(顺反,邻、间、对)。 (4)碳骨架类型确定后,再依据其他官能团,如C=O,O-H,C-N 等特征吸收来判定化合物的官能团。 (5)解析时应注意把描述各官能团的相关峰联系起来,以准确判定官能团的存在,如2820、2720和1750~1700cm^-1的三个峰,说明醛基的存在。解析的过程基本就是这样吧,至于制样以及红外谱图软件的使用,一般的有机实验书上都有比较详细的介绍的。 二、记住常见常用的健值 1.烷烃 3000-2850 cm-1C-H伸缩振动 1465-1340 cm-1C-H弯曲振动 一般饱和烃C-H伸缩均在3000 cm-1以下,接近3000 cm-1的频率吸收。 2.烯烃 3100~3010 cm-1烯烃C-H伸缩 1675~1640 cm-1C=C伸缩 烯烃C-H面外弯曲振动(1000~675cm^1)。 3.炔烃 2250~2100 cm-1C≡C伸缩振动 3300 cm-1附近炔烃C-H伸缩振动 4.芳烃 3100~3000 cm-1芳环上C-H伸缩振动 1600~1450 cm-1C=C 骨架振动 880~680 cm-1C-H面外弯曲振动) 芳香化合物重要特征:一般在1600,1580,1500和1450 cm-1可能出现强度不等的4

红外谱图解析基本知识

红外谱图解析基本知识 基团频率区 中红外光谱区可分成4000 cm-1 ~1300(1800)cm-1和1800 (1300 )cm-1 ~ 600 cm-1两个区域。最有分析价值的基团频率在4000 cm-1 ~ 1300 cm-1 之间,这一区域称为基团频率区、官能团区或特征区。区内的峰是由伸缩振动产生的吸收带,比较稀疏,容易辨认,常用于鉴定官能团。 在1800 cm-1 (1300 cm-1 )~600 cm-1 区域内,除单键的伸缩振动外,还有因变形振动产生的谱带。这种振动基团频率和特征吸收峰与整个分子的结构有关。当分子结构稍有不同时,该区的吸收就有细微的差异,并显示出分子特征。这种情况就像人的指纹一样,因此称为指纹区。指纹区对于指认结构类似的化合物很有帮助,而且可以作为化合物存在某种基团的旁证。 基团频率区可分为三个区域 (1) 4000 ~2500 cm-1 X-H伸缩振动区,X可以是O、N、C或S等原子。 O-H基的伸缩振动出现在3650 ~3200 cm-1 范围内,它可以作为判断有无醇类、酚类和有机酸类的重要依据。 当醇和酚溶于非极性溶剂(如CCl4),浓度于0.01mol. dm-3时,在3650 ~3580 cm-1 处出现游离O-H基的伸缩振动吸收,峰形尖锐,且没有其它吸收峰干扰,易于识别。当试样浓度增加时,羟基化合物产生缔合现象,O-H基的伸缩振动吸收峰向低波数方向位移,在3400 ~3200 cm-1 出现一个宽而强的吸收峰。 胺和酰胺的N-H伸缩振动也出现在3500~3100 cm-1 ,因此,可能会对O-H伸缩振动有干扰。 C-H的伸缩振动可分为饱和和不饱和的两种: 饱和的C-H伸缩振动出现在3000 cm-1以下,约3000~2800 cm-1 ,取代基对它们影响很小。如-CH3 基的伸缩吸收出现在2960 cm-1和2876 cm-1附近;R2CH2基的吸收在2930 cm-1 和2850 cm-1附近;R3CH基的吸收基出现在2890 cm-1 附近,但强度很弱。 不饱和的C-H伸缩振动出现在3000 cm-1以上,以此来判别化合物中是否含有不饱和的C-H键。 苯环的C-H键伸缩振动出现在3030 cm-1附近,它的特征是强度比饱和的C-H浆键稍弱,但谱带比较尖锐。 不饱和的双键=C-H的吸收出现在3010~3040 cm-1范围内,末端= CH2的吸收出现在3085 cm-1附近。 叁键oCH上的C-H伸缩振动出现在更高的区域(3300 cm-1 )附近。 (2) 2500~1900 cm-1为叁键和累积双键区,主要包括-CoC、-CoN等叁键的伸缩振动,以及-C =C=C、-C=C=O等累积双键的不对称性伸缩振动。 对于炔烃类化合物,可以分成R-CoCH和R¢-C oC-R两种类型: R-CoCH的伸缩振动出现在2100~2140 cm-1附近; R¢-C oC-R出现在2190~2260 cm-1附近; R-C oC-R分子是对称,则为非红外活性。 -C oN 基的伸缩振动在非共轭的情况下出现2240~2260 cm-1附近。当与不饱和键或芳香核共轭时,该峰位移到2220~2230 cm-1附近。若分子中含有C、H、N原子,-C oN基吸收比较强而尖锐。若分子中含有O原子,且O原子离-C oN基越近,-C oN基的吸收越弱,甚至观察不到。

红外光谱技术及其应用进展

红外光谱技术及其应用进展 苏雄200910835319 集宁师范学院化学系09级化学3班内蒙古乌兰察布市 012000 摘要 波数13000~10cm-1或波长0.75~1000μm之间称为红外区,在此范围内的物质吸收红外辐射后,因分子振动、转动、或晶格等运动产生偶极矩变化,形成可观测的红外光谱。红外光谱技术的发展进程和红外光谱技术分析速度快,分析效率高,分析成本低,测试重现性好等特点。红外光谱技术在制浆造纸工业中木素的定性和结构分析、木素的定量分析、研究纤维素的结晶结构、测定纸浆Kappa 值等,以及在临床医学和药学方面,农业方面,以及食品方面在食品中农药残留检测、环境科学中水环境监测、固体环境监测、气体环境监测,石油工业中对于油品成分,含量等方面的分析有广泛应用。 关键词 红外光谱;特点;应用 引言 分子振动、转动、或晶格等运动产生偶极矩变化,形成可观测的红外光谱。红外光谱广泛应用于分子结构的基础研究和化学组成的分析领域, 对有机化合 物的定性分析具有鲜明的特征性。因此,红外光谱有化合物“指纹”之称,是鉴定有机化合物和结构分析的重要工具。由于其专属性强各种基因吸收带信息多,固可用于固体、液体和气体定性和定量分析[1]。由于用红外光谱作样品分析时基本不需要处理,且不破坏和消耗样品,自身又无环境污染,因而被广泛运用,目前红外光谱广泛已应用于制浆造纸工业、临床医学和药学方面、农业方面、食品方面、环境科学、石油工业等学科领域,并随着技术和研究的深入越来越受到重视。 1、红外光谱法的基本原理 红外吸收光谱是由分子振动能级的跃迁同时伴随转动能级跃迁而产生的,因此,红外光谱的吸收峰是有一定宽度的吸收带。物质吸收红外光应满足两个条件,即辐射应具有刚好能满足物质振动能级跃迁时所需的能量;辐射与物质之间有偶合作用。因此当一定频率的红外光照射分子时如果分子中某个基团的振动频率与其一致,同时分子在振动中伴随有偶极矩变化,这时物质的分子就产生红外吸收。

红外谱图峰位分析方法

红外谱图分析(一) 基团频率和特征吸收峰 物质的红外光谱,是其分子结构的反映,谱图中的吸收峰,与分子中各基团的振动形式相对应。多原子分子的红外光谱与其结构的关系,一般是通过实验手段得到的。这就是通过比较大量已知化合物的红外光谱,从中总结出各种基团的吸收规律来。实验表明,组成分子的各种基团,如O—H、N—H、C—H、C═C、C≡C、C═O等,都有自己特定的红外吸收区域,分子其它部分对其吸收位置影响较小。通常把这种能代表基团存在、并有较高强度的吸收谱带称为基团频率,其所在的位置一般又称为特征吸收峰。 根据化学键的性质,结合波数与力常数、折合质量之间的关系,可将红外4 000~400 cm-1划分为四个区:4 000~2 500 cm-1 氢键区 2 500~2 000 cm-1 产生吸收基团有O—H、C—H、N—H; 叁键区 2 000~1 500 cm-1 C≡C、C≡N、C═C═C 双键区 1 500~1 000 cm-1 C═C、C═O等 单键区 按吸收的特征,又可划分为官能团区和指纹区。 一、官能团区和指纹区 红外光谱的整个围可分成4 000~1 300 cm-1与1 300~600 cm-1两个区域。 4 000~1 300 cm-1区域的峰是由伸缩振动产生的吸收带。由于基团的特征吸收峰一般位于高频围,并且在 该区域,吸收峰比较稀疏,因此,它是基团鉴定工作最有价值的区域,称为官能团区。 在1 300~600 cm-1区域中,除单键的伸缩振动外,还有因变形振动产生的复杂光谱。当分子结构稍有不同时,该区的吸收就有细微的差异。这种情况就像每个人都有不同的指纹一样,因而称为指纹区。指纹区 对于区别结构类似的化合物很有帮助。 指纹区可分为两个波段 (1)1 300~900 cm-1这一区域包括C—O,C—N,C—F,C—P,C—S,P—O,Si—O等键的伸缩振 动和C═S,S═O,P═O等双键的伸缩振动吸收。

常见高分子红外光谱谱图解析

常见高分子红外光谱谱图解析1. 红外光谱的基本原理 1)红外光谱的产生 能量变化 ν νhc h= = E - E = ?E 1 2 ν ν h ?E = 对于线性谐振子 μ κ π ν c 2 1 = 2)偶极矩的变化 3)分子的振动模式 多原子分子振动 伸缩振动对称伸缩 不对称伸缩 变形振动AX2:剪式面外摇摆、面外扭摆、面内摇摆 AX3:对称变形、反对称变形 . 不同类型分子的振动 线型XY2: 对称伸缩不对称伸缩 弯曲

弯曲型XY2: 不对称伸缩对称伸缩面内弯曲(剪式) 面内摇摆面外摇摆卷曲 平面型XY3: 对称伸缩不对称伸缩面内弯曲 面外弯曲 角锥型XY3: 对称弯曲不对称弯曲

面内摇摆 4)聚合物红外光谱的特点 1、组成吸收带 2、构象吸收带 3、立构规整性吸收带 4、构象规整性吸收带 5、结晶吸收带 2 聚合物的红外谱图 1)聚乙烯 各种类型的聚乙烯红外光谱非常相似。在结晶聚乙烯中,720 cm-1的吸收峰常分裂为双峰。要用红外光谱区别不同类型的聚乙烯,需要用较厚的薄膜测绘红外光谱。这些光谱之间的差别反映了聚乙烯结构与线性—CH2—链之间的差别,主要表现在1000-870㎝-1之间的不饱和基团吸收不同,甲基浓度不同以及在800-700㎝-1之间支化吸收带不同。

低压聚乙烯(热压薄膜) 中压聚乙烯(热压薄膜) 高压聚乙烯(热压薄膜)

2.聚丙烯 无规聚丙烯

等规聚丙烯的红外光谱中,在1250-830 cm-1区域出现一系列尖锐的中等强度吸收带(1165、998、895、840 cm-1)。这些吸收与聚合物的化学结构和晶型无关,只与其分子链的螺旋状排列有关。 3.聚异丁烯 CH3 H2 C C n CH3

红外光谱的历史回顾

红外光谱的历史回顾 雨后天空出现的彩虹,是人类经常观测到的自然光谱。而真正意义上对光谱的研究是从英国科学家牛顿(Newton)开始的。1666年牛顿证明一束白光可分为一系列不同颜色的可见光,而这一系列的光投影到一个屏幕上出现了一条从紫色到红色光带。牛顿导入“光谱”(spectrum )一词来描述这一现象。牛顿的研究是光谱科学开端的标志。 Sir Isaac Newton Sir Wiliam Herschel 从牛顿之后人类对光的认识逐渐从可见光区扩展到红外和紫外区。1800年英国科学家W.Herschel 将来自太阳的辐射构成一副与牛顿大致相同的光谱,然后将一支温度计通过不同颜色的光,并且用另外一支不在光谱中的温度计作为参考。他发现当温度计从光谱的紫色末端向红色末端移动时,温度计的读数逐渐上升。特别令人吃惊的是当温度计移动到红色末端之外的区域时,温度计上的读数达到最高。这个试验的结果有两重含义,首先是可见光区域红色末端之外还有看不见的其他辐射区域存在,其次是这种辐射能够产生热。由于这种射线存在的区域在可见光区末端以外而被称为红外线。(1801年德国科学家J.W.Ritter 考察太阳光谱的另外一端,即紫色端时发现超出紫色端的区域内有某种能量存在并且能使AgCl 产生化学反应,该试验导致了紫外线的发现。) 1881年Abney 和Festing 第一次将红外线用于分子结构的研究。他们Hilger

光谱仪拍下了46个有机液体的从0.7到1.2微米区域的红外吸收光谱。由于这种仪器检测器的限制,所能够记录下的光谱波长范围十分有限。随后的重大突破是测辐射热仪的发明。1880年天文学家Langley在研究太阳和其他星球发出的热辐射时发明一种检测装置。该装置由一根细导线和一个线圈相连,当热辐射抵达导线时能够引起导线电阻非常微小的变化。而这种变化的大小与抵达辐射的大小成正比。这就是测辐射热仪的核心部分。用该仪器突破了照相的限制,能够在更宽的波长范围检测分子的红外光谱。采用NaCl作棱镜和测辐射热仪作检测器,瑞典科学家Angstrem第一次记录了分子的基本振动(从基态到第一激发态)频率。1889年Angstrem首次证实尽管CO和CO2都是由碳原子和氧原子组成,但因为是不同的气体分子而具有不同的红外光谱图。这个试验最根本的意义在于它表明了红外吸收产生的根源是分子而不是原子。而整个分子光谱学科就是建立在这个基础上的。不久Julius发表了20个有机液体的红外光谱图,并且将在3000cm-1的吸收带指认为甲基的特征吸收峰。这是科学家们第一次将分子的结构特征和光谱吸收峰的位置直接联系起来。图1是液体水和重水部分红外光谱图,主要为近红外部分。图中可观察到水分子在739和970nm处有吸收峰存在,这些峰都处在可见光区红色一端之外。由于氢键作用,液体水的红外光谱图比气态水的谱图要复杂得多。 图1.1H2O和D2O分子的红外光谱图 红外光谱仪的研制可追溯的20世纪初期。1908年Coblentz制备和应用了用氯化钠晶体为棱镜的红外光谱议;1910年Wood和Trowbridge6研制了小阶梯光

红外光谱的原理及应用综述

红外光谱分析基本原理及应用 摘要红外光谱分析技术具有很快速,非破坏性,低成本及同时测定多种成分等特点, 在很多领域得到了广泛应用。本文介绍了红外光谱技术的检测原理,红外光谱仪的构造,指出了其检测的优点与不足。综述了红外光谱法的发展、应用以及对红外光谱研究前景的展望。 关键词:红外光谱原理构造发展1.引言 红外光谱法(infrared spectrometry,IR)是根据物质对红外辐射的选择性吸收特性而建立起来的一种光谱分析方法。分子吸收红外辐射后发生振动和转动能级跃迁。所以,红外光谱法实质是根据分子内部振动原子间的相对振动和分子转动等信息来鉴别化合物和确定物质分子结构的分析方法。 2.红外光谱分析的基本原理 2.1 红外光谱产生的条件 物质分子吸收红外辐射发生振动和转动能级跃迁,必须满足以下两个条件:一是辐射光子的能量与发生转动和转动能级跃迁所需的能量相等;二是分子转动必须伴随有偶极距的变化,辐射与物质间必须有相互作用。 2.2 红外吸收光谱的表示方法 红外吸收光谱一般用T_σ曲线或T_λ曲线来表示,λ与σ的关系式为: σ(cm-1)=1/λ(cm)=10^4/λ(μm)

2.3 分子的振动与红外吸收 2.3.1 双原子分子的振动 若把双原子分子(A-B)的两个原子看成质量分别为M1,M2的两个小球,中间的化学键看做不计质量的弹簧,那么原子在平衡位置附近的伸缩振动可以近似地看成沿键轴方向的简谐振动。量子力学证明,分子振动的总能量为: E=(u+1/2)hv 当分子发生△v=1 的振动能级跃迁时(由基态跃迁到第一激发态)根据胡克(Hooke)定律它所吸收的红外光波数σ为: σ=(1/2пc)√(k/μ) 其中:c—光速,3×10^8cm/s;k—化学键力常数N/cm;μ—两个原子的折合质量,g,μ=(m1.m2)/(m1+m2) 显然,振动频率σ与化学键力常数k成正比,与两个原子的折合质量成反比。不同化合物k和μ不同,所以不同化合物有自己的特征红外光谱。 2.3.2 多原子分子的振动 可分为伸缩振动和弯曲振动两类。伸缩振动是指原子沿着键轴方向伸缩,使键长发生周期性变化的振动。弯曲振动是指基团键角发生周期性变化的振动或分子中原子团对其余部分所做的相对运动。弯曲振动键力常数比伸缩振动的小。因此,同一基团的弯曲振动在其伸缩振动的低频区出现,所以,一般不把他做基团频率。多原子的复杂振动数又叫分子的振动自由度。每一种振动形式都有他特定的振动频

红外图谱解析

红外图谱解析 首先应该对各官能团的特征吸收熟记于心,因为官能团特征吸收是解析谱图的基础。 对一张已经拿到手的红外谱图: (1)首先依据谱图推出化合物碳架类型:根据分子式计算不饱和度,公式: 不饱和度=F+1+(T-O)/2 其中: F:化合价为4价的原子个数(主要是C原子), T:化合价为3价的原子个数(主要是N原子), O:化合价为1价的原子个数(主要是H原子), F、T、O分别是英文4,3,1的首字母。 举个例子:比如苯:C6H6,不饱和度=6+1+(0-6)/2=4,3个双键加一个环,正好为4个不饱和度; (2)分析3300~2800cm-1区域C-H伸缩振动吸收;以3000 cm-1为界:高于3000cm-1为不饱和碳C-H伸缩振动吸收,有可能为烯, 炔, 芳香化合物,而低于3000cm-1一般为饱和C-H 伸缩振动吸收; (3)若在稍高于3000cm-1有吸收,则应在2250~1450cm-1频区,分析不饱和碳碳键的伸缩振动吸收特征峰,其中: 炔2200~2100 cm-1 烯1680~1640 cm-1 芳环1600,1580,1500,1450 cm-1 若已确定为烯或芳香化合物,则应进一步解析指纹区,即1000~650cm-1的频区,以确定取代基个数和位置(顺反,邻、间、对); (4)碳骨架类型确定后,再依据其他官能团,如C=O, O-H, C-N 等特征吸收来判定化合物的官能团; (5)解析时应注意把描述各官能团的相关峰联系起来,以准确判定官能团的存在,如2820,2720和1750~1700cm-1的三个峰,说明醛基的存在。 解析的过程基本就是这样吧,至于制样以及红外谱图软件的使用,一般的有机实验书上都有比较详细的介绍的,这里就不唠叨了。 这是一个令人头疼的问题,有事没事就记一两个吧: 1.烷烃:C-H伸缩振动(3000-2850cm-1) C-H弯曲振动(1465-1340cm-1)

近红外光谱分析的应用及前景

摘要现代近红外光谱(NIR)分析技术是近年来分析化学领域迅猛发展的高新分析技术, 越来越引起国内外分析专家的注目,在分析化学领域被誉为分析“巨人”,它的出现可以说带来了又一次分析技术的革命。近红外光谱是一种快速、无损、可实现多组分同时测定的分析技术。本文简要介绍了近红外光谱的发展、测量原理、技术特点,并对近年来近红外光谱技术在各个领域的应用及前景进行了总结。随着近红外光谱技术的不断成熟,除了应用范围将不断拓宽之外,相信对于目前较为空白的应用机理的研究也将越来越深人、细致及严谨。 关键词近红外光谱分析技术原理应用发展前景 1 前言 电磁波按波长递增的分为(图例)近红外光谱是指波长在780~2526nm范围内的电磁波,是人们最早发现的非可见光区域。近红外光谱技术(NIR)是近年来发展较为迅速的一种高新分析测试技术,是光谱测量技术、计算机技术、化学计量学技术与基础测量技术的有机结合。但是由于近红外光谱区吸收峰的特征性差,灵敏度低,受当时的技术水平限制,近红外光谱技术“沉睡” 了近一个半世纪。20世纪80年代,随着计算机技术、仪器硬件的迅速发展,以及化学计量学方法在解决光谱信息提取和消除背景干扰方面取得的良好效果,近红外光谱技术飞速发展,成为近十年来发展最为迅速的高新分析技术之一,在众多领域都有广泛应用,其分析应用领域也不断拓宽。越来越引起国内外分析专家的注目,在分析化学领域被誉为分析的“巨人”[1]. 今天我们主要讲近红外光谱的原理,应用,优缺点和发展前景。 2 近红外光谱分析基本原理及应用近红外光谱仪的基本工作原理: 波长在700nm – 2,500nm (4,000–14,300cm-1) 的光谱为近红外光谱。它是一种既快速(十到二十秒钟) 又简便(不需作样品前处理) 的测试手段, 这种方法的特点是对样品作一步式 组份(需测的浓度大于0.01%) 分析而不需破坏样品。如果产品颜色是质量指标之一、您可选400nm-1,100nm 的图谱数据作鉴定。近红外光谱仪适用于对含有C-H, N-H, O-H 和 S-H 化学键的化合物作组份分析。在700 – 2,500 nm 的近红外波长范围内, 含有上述化合键的物质(药品、烟草、食品、农作物、聚合物、石油化工产品等) 会产生吸收。一些物质除在1,450 nm 到2,050 nm 之间产生第一谐波外,往往还会分别在1,050 nm - 1,700nm 和700 nm - 1,050 nm 谱带内产生第二及第三谐波。这些谐波的组合构成了被测物质在近红外光谱带内的特征吸收谱图-指纹图。相同的近红外谱图(样品的指纹图) 一定是从相同的物质得到。这也是应用近红外光谱仪作质量管理的主导基础原理。有机物在近红外光谱带内的吸收强度比在中红外(如FT-IR) 的吸收强度弱10 到1,000 倍。由于这特殊的弱吸收优点, 近红外射线能很容易地穿透未经研片与稀释等需作预处理的非透明样品,实现透射吸收;而另一部分反射光谱也可很容易地被检测。但是如何利用近红外图谱来对原材料或产品进行质量监控呢? 答案是利用统计学理论建立被测样品的数据库或校正曲线,而统计学

红外谱图的解析

红外谱图的解析经验 (1)首先依据谱图推出化合物碳架类型:根据分子式计算不饱和度,公式:不饱和度=F+1+(T-O)/2 (2) 分析3300-2800区域C-H伸缩振动吸收;以3000 为界:高于3000为不饱和碳C-H伸缩振动吸收,有可能为烯,炔,芳香化合物,而低于3000一般为饱和C-H伸缩振动吸收; (3)若在稍高于3000有吸收,则应在 2250-1450频区,分析不饱和碳碳键的伸缩振动吸收特征峰,其中:炔 2200-2100,烯 1680-1640,芳环 1600,1580,1500,1450,若已确定为烯或芳香化合物,则应进一步解析指纹区,即1000-650的频区 ,以确定取代基个数和位置(顺反,邻、间、对); (4)碳骨架类型确定后,再依据其他官能团,如 C=O,O-H,C-N 等特征吸收来判定化合物的官能团; (5)解析时应注意把描述各官能团的相关峰联系起来,以准确判定官能团的存在,如2820,2720和1750-1700的三个峰,说明醛基的存在。 1、烷烃:C-H伸缩振动(3000-2850) C-H弯曲振动(1465-1340),一般饱和烃C-H伸缩均在3000以下,接近3000的频率吸收。 2、烯烃:烯烃C-H伸缩(3100-3010) C=C伸缩(1675-1640) 烯烃C-H面外弯曲振动(1000-675)。 3、炔烃:伸缩振动(2250-2100) 炔烃C-H伸缩振动(3300附近)。 4、芳烃:3100-3000, 芳环上C-H伸缩振动 1600-1450, C=C 骨架振动 880-680C-H。 芳香化合物重要特征:一般在1600,1580,1500和1450,可能出现强度不等的4个峰。 880-680,C-H面外弯曲振动吸收,依苯环上取代基个数和位置不同而发生变化 ,在芳香化合物红外谱图分析中,常常用此频区的吸收判别异构体。 5、醇和酚:主要特征吸收是O-H和C-O的伸缩振动吸收, O-H 自由羟基O-H的伸缩振动:3650-3600,为尖锐的吸收峰, 分子间

红外光谱测试法

红外光谱测试法 红外光谱 (Infrared Spectroscopy, IR) 的研究始于 20 世纪初,自1940 年红外光谱仪问世,红外光谱在有机化学研究中广泛应用。新技术(如发射光谱、光声光谱、色红联用等)出现,使红外光谱技术得到发展。 原理 当一束具有连续波长的红外光通过物质,物质分子中某个基团的振动频率或转动频率和红外光的频率一样时,分子就吸收能量由原来的基态振(转)动能级跃迁到能量较高的振(转)动能级,分子吸收红外辐射后发生振动和转动能级的跃迁,该处波长的光就被物质吸收。所以,红外光谱法实质上是一种根据分子内部原子间的相对振动和分子转动等信息来确定物质分子结构和鉴别化合物的分析方法。将分子吸收红外光的情况用仪器记录下来,就得到红外光谱图。红外光谱图通常用波长(λ)或波数 (σ)为横坐标,表示吸收峰的位置,用透光率(T%)或者吸光度(A)为纵坐标,表示吸收强度。 当外界电磁波照射分子时,如照射的电磁波的能量与分子的两能级差相等,该频率的电磁波就被该分子吸收,从而引起分子对应能级的跃迁,宏观表现为透射光强度变小。电磁波能量与分子两能级差相等为物质产生红外吸收光谱必须满足条件之一,这决定了吸收峰出现的位置。 红外吸收光谱产生的第二个条件是红外光与分子之间有偶尔作用,为了满足这个条件,分子振动时其偶极矩必须发生变化。这实际上保证了红外光的能量能传递给分子,这种能量的传递是通过分子振动偶极矩的变化来实现的。并非所有的振动都会产生红外吸收,只有偶极矩发生变化的振动才能引起可观测的红外吸收,这种振动称为红外活性振动;偶极矩等于零的分子振动不能产生红外吸收,称为红外非活性振动。 应用 红外光谱对样品的适用性相当广泛,固态、液态或气态样品都能应用,无机、有机、高分子化合物都可检测。此外,红外光谱还具有测试迅速,操作方便,重复性好,灵敏度高,试样用量少,仪器结构简单等特点,因此,它已成为现代结构化学和分析化学最常用和不可缺少的工具。红外光谱在高聚物的构型、构象、力学性质的研究以及物理、天文、气象、遥感、生物、医学等领域也有广泛的应用。 红外吸收峰的位置与强度反映了分子结构上的特点,可以用来鉴别未知物的结构组成或确定其化学基团;而吸收谱带的吸收强度与化学基团的含量有关,可用于进行定量分析和纯度鉴定。另外,在化学反应的机理研究上,红外光谱也发挥了一定的作用。但其应用最广的还是未知化合物的结构鉴定。 红外光谱不但可以用来研究分子的结构和化学键,如力常数的测定和分子对称性的判据,而且还可以作为表征和鉴别化学物种的方法。例如气态水分子是非线性的三原子分子,它的v1=3652厘米、v3=3756厘米、v2=1596厘米而在液态水分子的红外光谱中,由于水分子间的氢键作用,使v1和v3的伸缩振动谱带叠

红外光谱分析77952

红外光谱分析 二十世纪初叶,Coblentz 发表了一百多个有机化合物的红外光谱图,给有机化学家提供了鉴别未知化合物的有力手段。到四十年代红外光谱技术得到了广泛的研究和应用。当今红外光谱仪的分辨率越来越高,检测范围扩展到10000-200cm-1,样品量少至微克级。红外光谱提供的某些信息简捷可靠,检测样品中有无羰基及属于哪一类(酸酐、酯、酮或醛)是其他光谱技术难以替代的。因此,对从事有机化合物为研究对象的化学工作者来说,红外光谱学是必需熟悉和掌握的一门重要光谱知识。 一、基本原理 1、基本知识 光是一种电磁波。可根据电磁波的波长范围分成不同类型的光谱,它们各自反映出物质的不同类型的运动形式。表1 列出这些电磁波的波长,其所在区域的光谱名称,以及对应的运动形式。 表1 常用的有机光谱及对应的微观运动

红外光谱研究的内容涉及的是分子运动,因此称之为分子光谱。通常红外光谱系指2-25 μ之间的吸收光谱,常用的为中红外区4000-650cm-1(2.5-15.4 μ) 或4000-400cm-1。 这段波长范围反映出分子中原子间的振动和变角振动,分子在振 动运动的同时还存在转动运动。在红外光谱区实际所测得的图谱是分 子的振动与转动运动的加合表现,即所谓振转光谱。 每一化合物都有其特有的光谱,因此使我们有可能通过红外光谱 对化合物作出鉴别。 红外光谱所用的单位波长μ,波数cm-1。光学中的一个基本公式是λυ= C,式中λ为波长,υ为频率,C 为光速(3 ×1010cm/s) 。设υ为波数,其含义是单位长度(1cm) 中所含的波的个数,并应具有以下关系:波数(cm-1) =104/ 波长( μ)波长和波数都被用于表示红外光谱的吸收位置,即红外光谱图的横坐标。目前倾向于普遍采用波数为单位,而在图谱上方标以对应的 波长值。红外光谱图的纵坐标反映的是吸收强度,一般以透过率(T%) 表示。 2、红外光谱的几种振动形式 主要的基本可以分为两大类:伸缩振动和弯曲振动。 (1)伸缩振动( υ) 沿着键轴方向伸或缩的振动,存在对称与非对称两种类型。它的 吸收频率相对在高波数区。 (2)弯曲振动( δ) 包括面内、面外弯曲振动,变角振动,摇摆振动等。它的吸收频率相对在低波数区。 4000cm -1(高) 400cm -1(低) 3、红外光谱吸收峰主要的几种类型 (1)基频峰:伸缩振动,弯曲振动产生的吸收峰均为基频峰。 (2)倍频峰:出现在基频峰波数二倍处。如基频为900cm-1,倍频为

第三章 红外吸收光谱分析

第三章红外吸收光谱分析 3.1概述 3.1.1红外吸收光谱的基本原理 红外吸收光谱法又称为分子振动转动光谱,属于分子光谱的范畴,是有机物结构分析的重要方法之一。当一定频率的红外光照射分子时,若分子中某个基团的振动频率和红外辐射的频率一致,两者产生共振,光的能量通过分子偶极矩的变化传递给分子,该基团就吸收了这个频率的红外光,产生振动能级跃迁;如果红外辐射的频率和分子中各基团的振动能级不一致,该频率的红外光将不被吸收。如果用频率连续变化的红外光照射某试样,分子将吸收某些频率的辐射,引起对应区域辐射强度的减弱,用仪器以吸收曲线的形式记录下来,就得到该试样的红外吸收光谱,稀溶液谱带的吸光度遵守Lambert-Beer定律。 图3-1为正辛烷的红外吸收光谱。红外谱图中的纵坐标为吸收强度,通常用透过率或吸光度表示,横坐标以波数或波长表示,两者互为倒数。图中的各个吸收谱带表示相应基团的振动频率。各种化合物分子结构不同,分子中各个基团的振动频率不同。其红外吸收光谱也不同,利用这一特性,可进行有机化合物的结构分析、定性鉴定和定量分析。 图3-1 正辛烷的红外光谱图 几乎所有的有机和无机化合物在红外光谱区均有吸收。除光学异构体,某些高分子量的高聚物以及一些同系物外,结构不同的两个化合物,它们的红外光谱一定不会相同。吸收谱带出现的频率位置是由分子振动能级决定,可以用经典力学(牛顿力学)的简正振动理论来说明。吸收谱带的强度则主要取决于振动过程中偶极矩的变化和能级跃迁的概率。也就是说,红外光谱中,吸收谱带的位置、形状和强度反映了分子结构的特点,而吸收谱带的吸收强度和分子组成或官能团的含量有关。

近红外光谱分析技术及发展前景

近红外光谱分析技术及发展前景 陈丽菊 刘 巍 近红外光(near infrared,N IR)是介于可见光(VL S)和中红外光(M IR)之间的电磁波,美国材料检测协会(ASTM)将波长780~2526nm的光谱区定义为近红外光谱区。近红外光谱主要应用两种技术获得:透射光谱技术和反射光谱技术。透射光谱波长一般在780~1l00nm范围内;反射光谱波长在1100~2526nm范围内。近红外光谱区(N IR)是由赫歇尔(Herschel)在1800年发现的。卡尔?诺里斯(Karl Norris)等人首先用近红外光谱区测定谷物中的水分、蛋白质。但是由于分子在该谱区倍频和合频吸收弱,且谱带重叠严重,难以分析和鉴定,以致N IR分析技术的研究曾一度陷入低谷,甚至处于停滞。20世纪80年代,随着计算机技术、仪器硬件的迅速发展,以及化学计量学方法在解决光谱信息提取和消除背景干扰方面取得的良好效果,使得近红外分析技术不仅用于农产品、食品和生物科学,而且还应用到石油化工、烟草、纺织、环保等行业。 近红外光谱分析的原理 近红外光谱是由于分子振动能级的跃迁(同时伴随转动能级跃迁)而产生的。近红外分析技术是依据被检测样品中某一化学成分对近红外光谱区的吸收特性而进行定量检测的一种方法。它记录的是分子中单个化学键的基频振动的倍频和合频信息,它的光谱是在700~2500nm范围内分子的吸收辐射。这个事实与常规的中红外光谱定义一样,吸收辐射导致原子之间的共价键发生膨胀、伸展和振动。中红外吸收光谱中包括有C-H键、C-C键以及分子官能团的吸收带。然而在N IR测量中显示的是综合波带与谐波带,它是R-H分子团(R是O、C、N和S)产生的吸收频率谐波,并常常受含氢基团X-H(C-H、N-H、O-H)的倍频和合频的重叠主导,所以在近红外光谱范围内,测量的主要是含氢基团X-H振动的倍频和合频吸收。使用N IR技术是因为它与样品相互作用时输出的能量效率比中红外光更为实用。N IR的辐射源(仪器上的灯)要比用在中红外的能量高得多,而且它的检测器也具有更高检测效率。这些因素意味着N IR仪器的信噪比值远高于中红外仪器。较高的信噪比意味着样品的观测时间可比中红外仪器短得多。近红外辐射对于样品的穿透性也较高,因此样品的前处理常较中红外简单。近红外光谱根据其检测对象的不同分成近红外透射光谱(N IT)和近红外反射光谱(N IR)两种。N IT是根据透射光与入射光强的比例关系来获得在近红外区的吸收光谱。N IR根据反射光与入射光强的比例获得在近红外光谱区的吸收光谱。近红外分析技术是综合多学科(光谱学、化学计量学和计算机等)知识的现代分析技术,使用包括N IR 分析仪、化学计量学光谱软件和被测物质的各种性质或浓度分析模型成套近红外分析技术等。经过对这种模型的校正,就可以根据被测样品的近红外光谱,快速计算出各种数据。建立被测样品成分的模型时,主要用到的校正方法有多元线性回归法(ML R)、主成分分析法(PCA)、偏最小二乘法(PL S)、人工神经网络法(ANN)。 近红外光谱分析方法的特点 近红外光谱分析方法有下列特点。 可采用光学方法进行。鉴于近红外具有较大的散射效应和较强的穿透性,近红外光谱的分析方法比较独特,可根据样品物态和透光能力的强弱采用透射、漫反射和散射等多种测谱技术进行物质检测。 近红外光子的能量比可见光低,不会对人体造成伤害,而且整个分析过程不会对环境造成任何污染,属于绿色分析技术。 近红外分析技术可在数分钟内完成多项参数的测定,分析速度可提高上百倍,分析成本可降低数十倍。用于传输近红外辐射光的光纤可长达200m, 新结构的固态电子和光电子器件。半导体低维结构已成为推动整个半导体科学技术迅猛发展的主要动力。低维材料不同于自然界中的物质,具有各种量子效应和独特的光、电、声、力、化学和生物性能,在未来的各种功能器件的应用中将发挥重要作用,并随理论和技术的发展得到更加广泛的应用。 (上海市东华大学理学院应用物理系 200051) ? 1 ?现代物理知识

红外谱图分析方法总结

红外谱图分析方法总结 (1)首先依据谱图推出化合物碳架类型:根据分子式计算不饱和度,公式:不饱和度=F+1+(T-O)/2其中: F:化合价为4价的原子个数(主要是C原子),T:化合价为3价的原子个数(主要是N原子),O:化合价为1价的原子个数(主要是H原子),例如:比如苯:C6H6,不饱和度=6+1+(0-6)/2=4,3个双键加一个环,正好为4个不饱和度;(2)分析3300-2800cm-1区域C-H伸缩振动吸收;以3000cm-1为界:高于3000cm-1为不饱和碳C-H伸缩振动吸收,有可能为烯、炔、芳香化合物,而低于3000cm-1一般为饱和C-H伸缩振动吸收; (3)若在稍高于3000cm-1有吸收,则应在2250-1450cm-1频区,分析不饱和碳碳键的伸缩振动吸收特征峰,其中:炔2200-2100cm-1、烯1680-1640cm-1、芳环1600,1580,1500,1450cm-1。若已确定为烯或芳香化合物,则应进一步解析指纹区,即1000-650cm-1的频区,以确定取代基个数和位置(顺反,邻、间、对);(4)碳骨架类型确定后,再依据其他官能团,如C=O,O-H,C-N等特征吸收来判定化合物的官能团; (5)解析时应注意把描述各官能团的相关峰联系起来,以准确判定官能团的存在,如2820,2720和1750-1700cm-1的三个峰,说明醛基的存在。 至此,分析基本搞定,剩下的就是背一些常见常用的健值了! 1.烷烃:C-H伸缩振动(3000-2850cm-1)C-H弯曲振动(1465-1340cm-1)一般饱和烃C-H伸缩均在3000cm-1以下,接近3000cm-1的频率吸收。 2.烯烃:烯烃C-H伸缩(3100-3010cm-1)C=C伸缩(1675-1640cm-1)烯烃C-H面外弯曲振动(1000-675cm1)。 3.炔烃:伸缩振动(2250-2100cm-1)炔烃C-H伸缩振动(3300cm-1附近)。 4.芳烃:3100-3000cm-1芳环上C-H伸缩振动、1600-1450cm-1C=C骨架振动、880-680cm-1C-H面外弯曲振动、芳香化合物重要特征:一般在1600、1580、1500和1450cm-1可能出现强度不等的4个峰。 880-680cm-1,C-H面外弯曲振动吸收,依苯环上取代基个数和位置不同而发生变化,在芳香化合物红外谱图分析中,常常用此频区的吸收判别异构体。 5.醇和酚:主要特征吸收是O-H和C-O的伸缩振动吸收,O-H自由羟基O-H的伸缩振动:3650-3600cm-1,为尖锐的吸收峰,分子间氢键O-H伸缩振动:3500-3200cm-1,为宽的吸收峰;C-O伸缩振动:1300-1000cm-1O-H面外弯曲:769-659cm-1 6.醚:特征吸收:1300-1000cm-1的伸缩振动,脂肪醚:1150-1060cm-1一个强的吸收峰;芳香醚:两个C-O伸缩振动吸收:1270-1230cm-1(为Ar-O伸缩) 1050-1000cm-1(为R-O伸缩) 7.醛和酮:醛的主要特征吸收:1750-1700cm-1(C=O伸缩)2820,2720cm-1(醛基C-H伸缩);脂肪酮:1715cm-1,强的C=O伸缩振动吸收,如果羰基与烯键或芳环共轭会使吸收频率降低 8.羧酸:羧酸二聚体:3300-2500cm-1宽,强的O-H伸缩吸收1720-1706cm-1,C=O 吸收1320-1210cm-1C-O伸缩,920cm-1成键的O-H键的面外弯曲振动。 9.酯:饱和脂肪族酯(除甲酸酯外)的C=O吸收谱带:1750-1735cm-1区域饱和酯C-C(=O)-O谱带:1210-1163cm-1区域,为强吸收 10.胺:3500-3100cm-1,N-H伸缩振动吸收,1350-1000cm-1,C-N伸缩振动吸收。

相关文档
最新文档