红外光谱法在高分子材料研究中的应用杨睿
红外光谱及其在高分子研究中的应用
含邻二 取代苯环
H
748cm （单峰）
1 3430cm 1， 3300cm （双峰）
1
NH 2 NH 2 C N
as CH 3 as CH 3 s CH 3
1622cm
1 1
为伯胺
1303cm 1， 1268cm
1 2925cm （较强）
1442cm 1380cm
1 1
为 CH 3
续前
结构为
第六节 红外吸收光谱仪
（三）、未知物结构的确定
• 解析红外谱图的一般原则 1. 试样的纯化 • 红外样品需纯度很高（98%以上），不含干扰测定 物质。可利用各种分离手段如：分馏、萃取、重 结晶、层析等提纯试样 2. 了解工作 • 了解样品来源、外观，根据样品存在的形态选择 适当的制样方法；观察样品的颜色和气味；注意 样品的纯度以及样品的元素分析，相对分子质量， 熔点、沸点、溶解度、折光率等物理常数的测定 结果——缩小结构的推测范围
1
3100 ~ 3000 cm ~ 1650 cm
1
无
CH 吸收
无
C C 吸收
否定结构 3
s C ( CH 3 ) 3 特征吸收
结构 1不具有 1395和1363cm 1双峰
综上，峰归属如下：
OH as CH 3 as CH 3 C O
否定结构 1
3360cm
1
2970cm 1， 1476cm 1， 1235cm
（3） 图中的吸收峰往往不可能全部解析，特 别是指纹区 （4）掌握主要基团的特征吸收
3000cm-1是个界，不饱和CH﹥3000，饱和CH﹤ 3000 苯环C=C1650~1450 2~4个中强吸收峰。利用指纹 区判断单、双、三取代
红外光谱在高分子材料中的应用
图1 傅里变换叶红外光谱仪
图2 傅里叶变换光谱仪的结构框图
傅里叶变换红外光谱仪是由光学测量系统、计算机数 据处理系统、计算机接口和电子线路系统等几个主要部分 组成的，其结构框图如图2所示。其中, 光学测量系统用 于测量和收集数据, 计算机用于处理数据和控制仪器运行。
1.1 聚合物红外光谱的分类
红外光谱区常分成近红外、中红外、远红外三个区， 红外光谱分析的使用范围主要是在中红外区， 最常使用的 波数范围是3800～650/cm-1，如果分子中含有一些极性较 强的基团，则对应这些基团的一些谱带在这个化合物的IR 光谱中往往是最强的，明显地显示这个基团的结构特征。
3.4 红外光谱图的解析实例
1、聚乙烯红外光谱解析
图4 聚乙烯红外光谱图
图4是聚乙烯红外光谱图。其特征谱带是在2950cm-1， 1460cm-1 和720/730cm-1 处，有三个很强的吸收峰。它们分 别属于C－H 的伸缩，弯曲和摇摆振动。其中720cm-1 处光 谱反映的是无定型的聚乙烯吸收峰，730cm-1 处光谱是结晶 聚乙烯吸收峰。
4.3 高分子材料的共混相容性研究
聚合物共混物的相容性可以借助红外光谱方法来表征。 可以近似地作以下假设，如果高分子共混物的两个组分完全 不相容，则可以认为这两个组分是分相的，所测共混物光谱 应是两个纯组分光谱的简单组合。但如果共混物的两个组分 是相容的，则可以认为该共混体系是均相的。由于不同分子 链之间的相互作用，和纯组分相比，共混物光谱中许多对结 构和周围环境变化敏感的谱带会发生频率位移或强度变化。
3 红外光谱图的解析法
3.1 红外光谱的特征量
（1）谱峰位置，即波长或波数。谱峰位置即谱带的特征振 动频率，是对官能团进行定性分析的基础，依照特征蜂的 位置可确定聚合物的类型。 （2）谱峰强度，即透射百分率或吸收百分率。谱峰强度与 分子振动时偶极矩的变化率有关，但同时又与分子的含量 成正比，因此可作为定量分析的基础。 （3）谱峰形状。谱峰形状包括谱带是否有分裂，还反映了 分子结构特性，可用以研究分子内是否存在缔合以及分子 的对称性、旋转异构、互变异构等。
红外光谱学在材料分析中的应用研究
红外光谱学在材料分析中的应用研究随着材料科学技术的发展，材料的种类和复杂度越来越丰富，如何确定材料的组成和结构也成了研究的重要课题。
而红外光谱学是一种能够快速、准确地分析物质组成的技术，广泛应用于材料分析、医药化学、食品检测和环境监测等领域。
一、红外光谱学的原理红外光谱学是一种利用物质分子振动引起的红外辐射来分析物质组成和结构的方法。
当物质受到红外光照射时，分子中的化学键会发生振动，产生特定的振动频率，形成独特的光谱图像。
通过对红外光谱图像进行解析，可以确定物质中化学键的类型和数量，从而得出物质的组成和结构信息。
二、红外光谱分析的优点相对于传统的化学分析技术，红外光谱分析具有以下优点：1.快速：红外光谱分析可以在几秒到几分钟内完成，大大提高了分析效率。
2.精确：红外光谱分析不受物质形态、颜色和透明度的影响，可以分析固体、液体和气体等多种形态的物质。
3.多样性：红外光谱分析可以同时分析多种物质成分，并且可以进行定量和定性分析。
三、红外光谱学在材料分析中的应用红外光谱学在材料分析领域中得到广泛应用，主要包括以下几个方面：1.材料表征红外光谱分析可以用于确定材料中的化学键类型和数量，包括羟基、酰基、醚键、双键、三键等，从而确定材料的分子结构和组成。
2.质量控制在制造过程中，红外光谱分析可以用于对材料的原料、中间体和成品进行质量控制，确保材料的一致性和品质。
3.失效分析红外光谱分析可以用于失效分析，比如导致材料失效的化学反应可以通过分析其振动频率和化学键类型来确定。
4.界面分析红外光谱分析可以用于薄膜和界面材料的分析，如表面修饰材料、涂层覆盖物等。
5.组成分析在材料组分分析方面，红外光谱分析可以通过定量分析来确定材料中不同组分的含量，可以用于检测掺杂和杂质等问题。
四、红外光谱学的发展趋势随着科技的不断进步，红外光谱分析技术也不断发展。
未来红外光谱分析技术的发展趋势主要有以下几个方向：1.高灵敏度：目前的红外光谱分析技术灵敏度有限，需要对检测器进行进一步的研究和改进，提高灵敏度和检测精度。
红外光谱在材料表征中的应用
红外光谱在材料表征中的应用红外光谱是一种重要的材料表征工具，它可以通过检测材料对红外辐射的吸收和散射来研究材料的结构和性质。
红外光谱广泛应用于化学、物理、材料科学等领域，为我们提供了深入了解材料的方法。
一、红外光谱的基本原理红外光谱是通过在材料表面投射红外辐射，然后测量材料对红外辐射的吸收和散射来分析材料的结构和成分。
红外辐射包含了可见光和微波之间的电磁波，它的频率范围为300 GHz到400 THz。
不同的材料会对不同的波长的红外辐射表现出吸收的峰值，这些峰值可以用来确定材料的特性。
二、红外光谱在有机化学中的应用红外光谱在有机化学中有着广泛的应用。
有机化合物通常在红外光谱中表现出明显的特征吸收峰，这些峰可以帮助确定分子中的功能团和官能团。
通过红外光谱的分析，我们可以判断分子中是否含有羟基、羰基、烷基等官能团，从而推断出化合物的结构和性质。
此外，红外光谱还可以用于分析有机化合物的纯度和检测化学反应的进程。
三、红外光谱在材料科学中的应用红外光谱在材料科学中也有着重要的应用。
通过红外光谱分析材料，我们可以得到材料的吸收谱图，从而了解材料的成分和结构。
例如，通过红外光谱可以确定某种材料中是否含有特定的化学键，比如羟基键、酯基键等。
此外，红外光谱还可以用于研究材料的结晶性质、取向性和相变等特性。
四、红外光谱在物理学中的应用红外光谱在物理学中也有重要的应用。
通过红外光谱的分析，可以研究材料的振动谱和转动谱，从而了解材料的分子结构、晶格结构和性质。
例如，通过红外光谱可以检测材料中存在的不同类型的振动模式，包括平移、弯曲、伸缩等振动，这些振动可以帮助我们判断材料的化学键类型和键强度。
五、红外光谱在医学和生物学中的应用红外光谱在医学和生物学中也有着广泛的应用。
例如，通过红外光谱可以检测人体组织中的蛋白质、脂肪和碳水化合物等分子的存在和组成。
利用红外光谱的技术，可以研究生物体内分子结构的变化和有机化合物的特征，从而帮助诊断疾病和评估药物治疗效果。
基于红外光谱技术的高分子材料表征与识别
基于红外光谱技术的高分子材料表征与识别随着科技的不断发展，高分子材料已经广泛应用于各个领域，例如电子、材料、生物医学等。
高分子材料的结构复杂，其性质也十分复杂、多样，因此要对高分子材料进行表征和识别十分困难。
然而，红外光谱技术的出现，为高分子材料的表征和识别提供了一种有效的手段。
一、红外光谱技术简介红外光谱技术是一种常用的分析材料结构的手段，其基本原理是：光谱仪将幅度按波长分成一系列频段，然后辐射物和样品都放在光谱仪的光路里，让紫外、可见和红外辐射通过物体和样品，这些辐射都是能够被吸收或者反射和散射的。
当辐射通过样品时，其中一小部分就会被样品吸收，其余部分则会经过样品，进入光谱仪中。
光谱仪中的探头、光电倍增管等元件把光谱信号放大后，把它送到计算机上分析处理。
二、红外光谱技术在高分子材料表征中的应用1. 结构分析高分子材料的本质是由大分子组成的聚合物，因此高分子材料的结构复杂、繁多。
红外光谱技术可以用来确定高分子材料的基本组成、连接方式、键的类型等信息。
高分子材料中常见的基本结构单元包括：碳氢基、羧基、酮基、醇基等。
不同的结构单元在光谱上有不同的吸收峰，通过对吸收峰进行分析，即可确定高分子材料的基本组成和结构。
2. 凝胶分析凝胶是一种由高分子物质形成的三维网络物质。
通过红外光谱技术可以确定凝胶物质的组成、结构、形态等信息。
当凝胶中的高分子物质发生结构改变时，红外光谱技术能够很好地反映出来。
3. 软片分析软片是一种由高分子物质通过加热或者解聚制得的薄片。
红外光谱技术可以通过对软片的吸收特性进行分析，得出高分子材料的各种信息。
4. 氢键分析在高分子材料中，氢键是一种很常见的键型。
红外光谱技术可以通过氢键引起的震动吸收，来分析氢键在高分子材料中的作用和计算氢键键能。
三、红外光谱技术在高分子材料识别中的应用1. 溶液识别高分子材料的识别包括了其组成和结构的分析。
红外光谱技术可以用于溶液的组成和结构分析。
先将样品溶解在适当的溶剂中，然后对其进行红外光谱测试。
红外光谱在高分子材料研究中的应用
2019年15期应用科技科技创新与应用Technology Innovation and Application红外光谱在高分子材料研究中的应用尚建疆1，张帅2，张新慧2，朱小燕1，刘芳1（1.伊犁职业技术学院，新疆伊宁835000；2.伊犁南岗化工有限责任公司，新疆伊宁835001）引言研究高分子材料或聚合物的组成、结构及变化过程，以制备高性能材料，成为目前重要的研究方向。
红外光谱法（IR ）是目前高分子材料研究中一种重要的分析测试方法，具有操作方法简单、技术成熟等特点，能比较直观高效、准确地表征出物质的结构及其变化，因此，己经广泛地应用于高分子材料研究、有机合成、无机化学、化工、生物、医药、环境等领域。
1红外光谱技术红外光谱技术是利用物质分子吸收红外辐射后，产生的振动或转动运动引起偶极矩的变化使分子能级跃迁，相应区域的光被吸收的现象，从而得到红外光波长与透射率的曲线。
红外光谱能够提供丰富的物质结构信息，气体、液体、固体都用检测，并且用量少、分析快、不破坏样品，因此，红外光谱法成为鉴定高分子化合物和测定其分子结构的有效方法之一。
2红外光谱在高分子材料研究中的应用2.1聚合物的分析与鉴别聚合物的种类繁多，红外光谱图复杂，通过解谱并不能得到物质的准确构成，只能推测出物质分子的大致结构以及官能团状况，最后要根据分析结果与标准谱图进行对比才能得到最终结果。
聚乙烯（PE ）结构简单，因而可以能过吸收峰直接确定，如图1。
但是对于复杂聚合就不能仅依靠红外光谱图判断其种类。
如图2，根据苯环-C =C-的弯曲振动、-CH 2-不对称伸缩振动等，只能缩小归属范围，最后与标准谱图对比方能确定该化合物为聚苯乙烯。
2.2聚合物结构及变化的研究通过红外光谱法可以研究聚合物分子链的组成、结构、构型等。
此外，还可以研究聚合物在一定的条件下分子结构发生的变化，如老化、硫化、固化等。
李圆等[1]将丙烯酰胺和淀粉通过接枝共聚形成聚合物凝胶体系。
红外光谱法在高分子材料研究中的应用-杨睿
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
29
立构规整性谱带
顺式1,4 反式1,4
R C=C H R C=C H R C=C R' H H H R'
738cm-1
967cm-1
R' H
1,2
910cm-1
30
构象规整性谱带
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
14
•
常见聚合物热压成膜的参考温度
聚合物 高密度聚乙烯 线型低密度聚乙烯 低密度聚乙烯 聚丙烯 聚苯乙烯 聚甲基丙烯酸甲酯 聚氯乙烯 尼龙6 温度/℃ 170 150 200 130 260 190 250 聚合物 尼龙11 尼龙66 聚甲醛 聚碳酸酯 聚对苯二甲酸乙二醇酯 聚对苯二甲酸丁二醇酯 聚四氟乙烯 温度/℃ 220 280 190 260 290 250 360
690, 615 770, 638 657 1040, 916, 825 1145, 1370, 1045, 898 1130 1140
44
非晶峰
结晶峰
注意结晶－熔融变化与化学变化的差别！
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
45
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。
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。
13
2 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： 热塑性树脂：溶解流延成膜、热压成膜或溶解涂片； 热固性树脂：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。 轻度交联的聚合物：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：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测定。
红外光谱法在高分子研究中的应用
红外光谱法在高分子研究中的应用
红外光谱法是一种常用的高分子材料分析方法，它通过测量样品在红外辐射下吸收或散射光的强度来分析高分子结构和成分。
红外光谱法可以用于分析高分子的化学成分、聚合度、交联度、晶体结构、分子排列方式等重要参数。
在高分子材料的研究中，红外光谱法被广泛应用于分析聚合物、共聚物、共混物、复合材料等不同类型的高分子材料。
此外，红外光谱法还可以用于分析高分子材料的热性质、光学性质、电学性质等方面的性能。
红外光谱法的应用为高分子材料的研究提供了非常重要的手段，具有重要的理论和实践意义。
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CC
[ CH2
H
反式聚异戊二烯 （半结晶的塑料）
H
[ CH2 C O ]n
X
L-链节
聚乙烯基醚类
共聚物序列结构
无规共聚物（random copolymer） －AABAAABBABBBAA－
交替共聚物 (alternating copolymer) －ABABABABABABAB－
嵌段共聚物 (block copolymer) －AAAAAAAABBBBBB－
加工
产品
聚合物分子结构 聚合物聚集态结构
仪器测量结果 [客观标准]
基本性能
加工性能
产品性能
实际使用评价 [主观标准]
高分子材料的变化 单体－聚合物－制品－应用
原材料的分析 最佳合成工艺加条工件工的艺选条择件的选择 分子量及其分多布相结构及材相料形使态用过程的老 聚合物支化、反交应联加工化、降解等等 共聚物组成及序列分布
nCH2 CH
[CH2 CH]n
nC H 2 C H C O O H
机械强度
B
A
[C H 2 C H]n
C O O H
C
加工性
分子量
A：初具强度最低分子 量 B：显示强度最低分子 量
键接方式 支化与交联
CH 2-CH-CH2-CH RR
CH 2-CH-CH-CH2 RR
头尾键接 头头键接
树枝状高分子
超支化高分子
空间立构 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）
几何立构
[ CH2
] CH2 n
CC
CH3
H
顺式聚异戊二烯 （橡胶）
旋光立构
X
[ CH2 C O ]n
H
D-链节
CH3
] CH2 n
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
1.3 高分子材料的研究内容
结构性能关系
– 不同材料具有不同的性能；
– 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
内容
高分子材料概述 高分子材料的制样特点 聚合物的链结构研究 聚合物的聚集态结构研究 聚合物的反应过程研究 红外显微镜在高分子材料研究中的应用 未知材料的剖析
1 高分子材料概述
➢ 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。
具有弹性体和流体的性质。
重复单元结构
分子量及其分布
链结构 高
共聚组成及序列分布 空间立构
分
支化与交联
子
材
结晶
料
取向
聚集态结构
物理状态
多相结构及相形态
1. 1 聚合物的链结构
单个高分子的结构，它决定聚合物的基本性质。
分子组成，分子量及其分布
n C H 2 = C H 2 C H - C H - C H - C H - C H - C H
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。
2 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：
• 热塑性树脂：溶解流延成膜、热压成膜或溶解涂片； • 热固性树脂：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。 • 轻度交联的聚合物：在溶剂中不溶解只溶胀的样品，
温度/℃ 170
聚合物 尼龙11
温度/℃ 220
150
尼龙66
280
200
聚甲醛
190
130
聚碳酸酯
260
260
聚对苯二甲酸乙二醇酯 290
190
聚对苯二甲酸丁二醇酯 250
250
聚四氟乙烯
360
不同制样方法得到的PMMA红外谱图
PMMA氯仿溶液与氯仿的差谱
样品的不均一性－天然橡胶测量不同部位得到的谱图
➢ 高分子材料的组成 ☆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、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。
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
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：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高密度聚乙烯 线型低密度聚乙烯 低密度聚乙烯 聚丙烯 聚苯乙烯 聚甲基丙烯酸甲酯 聚氯乙烯 尼龙6
在谱图中可观察到未反应的单体。
不同形态的PVDF
制样的问题-KBr
衰减全反射(attenuated total reflection, ATR)
穿透深度为
d
1
1
2[si2ni(n2/n1)2]2
λ1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
水平ATR
可调角度ATR
ATR校正：由于存在频率歧视效应需校正。
接枝共聚物 (graft copolymer)
AAAAAAAAAAAAAAAAAAAAA
B
B
B
B
B
B
B
B
...
...
1.2 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。
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→ 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
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。
晶态与非晶态
用不同ATR晶体测定得到的谱图
晶体 折光指数 测定范围
KRS-5 2.35
20,000-250
ZnSe 2.42
20,000-600
Si
3.42
8300-660
Ge 4.0
5500-660
颜色 红 黄 灰 灰
PAN/ PVA复合膜不同入射角的ATR谱图
ATR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，