吳夢謠,張雅秀,李佳欣,康怡然,馮 匯,王曉萱,戎 媛,于宏偉
(石家莊學(xué)院 化工學(xué)院,河北石家莊050035)
聚乙烯醇具有強(qiáng)度高、韌性好和耐沖擊力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn),廣泛應(yīng)用在醫(yī)用布、無紡布及紡高支紗織物等紡織工業(yè)領(lǐng)域[1-5]。聚乙烯醇的應(yīng)用與其特殊的高分子結(jié)構(gòu)有關(guān)。中紅外(MIR)光譜[6-11]和變溫中紅外(TD-MIR)光譜[12-18]廣泛應(yīng)用于高分子的結(jié)構(gòu)及熱穩(wěn)定性研究,但聚乙烯醇相關(guān)研究少見報(bào)道。聚乙烯醇的玻璃化溫度范圍是348 K~358 K,而在不同使用溫度下,聚乙烯醇的理化性能會發(fā)生一定的改變,相關(guān)研究具有重要的應(yīng)用價(jià)值。因此,本文采用MIR光譜及TD-MIR光譜在溫度為303 K~523 K的范圍內(nèi),進(jìn)一步探究了溫度變化對于聚乙烯醇分子結(jié)構(gòu)及熱穩(wěn)定性的影響,為聚乙烯醇在紡織工業(yè)中的應(yīng)用提供了有意義的科學(xué)借鑒。
聚乙烯醇(聚乙烯醇1799,分析純,成都市科隆化學(xué)品有限公司)。
Spectrum 100型中紅外光譜儀(美國PE公司);Golden Gate型ATR-MIR變溫附件及控件(英國Specac公司)。
1.3.1 紅外光譜儀操作條件
以空氣為背景,每次試驗(yàn)對于信號進(jìn)行8次掃描累加;測溫范圍303 K~523 K,變溫步長10 K。
1.3.2 數(shù)據(jù)獲得及處理
聚乙烯醇分子的MIR及TD-MIR數(shù)據(jù)獲得采用美國PE公司Spectrum v 6.3.5操作軟件。
圖1 聚乙烯醇分子MIR光譜(303 K)
在303 K溫度下,首先采用MIR光譜開展聚乙烯醇的分子結(jié)構(gòu)研究(圖1)。根據(jù)文獻(xiàn)報(bào)道[19-20],3292.30 cm-1頻率處的吸收峰歸屬于聚乙烯醇分子OH伸縮振動模式(νOH-聚乙烯醇);2937.96 cm-1頻率處的吸收峰歸屬于聚乙烯醇分子CH2不對稱伸縮振動模式(νasCH2-聚乙烯醇);2907.36 cm-1頻率處的吸收峰歸屬于聚乙烯醇分子CH2對稱伸縮振動模式(νsCH2-聚乙烯醇);1420.04 cm-1頻率處的吸收峰歸屬于聚乙烯醇分子CH2彎曲振動模式(δCH2-聚乙烯醇);1086.63 cm-1頻率處的吸收峰歸屬于聚乙烯醇分子C-O伸縮振動模式(νC-O-聚乙烯醇)。
聚乙烯醇分子的玻璃化溫度范圍是348 K~358 K,因此分別在“303 K~343 K”、“343 K~363 K”和“363 K~523 K”這三個(gè)溫度區(qū)間開展了聚乙烯醇分子的TD-MIR光譜研究,并進(jìn)一步考查了溫度變化對聚乙烯醇分子結(jié)構(gòu)的影響。
2.2.1 “第一溫度區(qū)間”聚乙烯醇分子的TD-MIR光譜研究
在“第一溫度區(qū)間”,首先開展了聚乙烯醇分子的TD-MIR光譜研究(圖2)。
圖2 聚乙烯醇分子TD-MIR光譜(303 K~343 K)
實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn):隨著測定溫度的升高,聚乙烯醇分子νOH-聚乙烯醇-第一溫度區(qū)間、νasCH2-聚乙烯醇-第一溫度區(qū)間和δCH2-聚乙烯醇-第一溫度區(qū)間對應(yīng)的吸收頻率發(fā)生了藍(lán)移,而νsCH2-聚乙烯醇-第一溫度區(qū)間和νC-O-聚乙烯醇-第一溫度區(qū)間對應(yīng)的吸收頻率發(fā)生了紅移。溫度的升高,進(jìn)一步破壞了聚乙烯醇分子間的氫鍵作用,因此聚乙烯醇分子νOH-聚乙烯醇-第一溫度區(qū)間對應(yīng)的吸收頻率發(fā)生了明顯的藍(lán)移。隨著測定溫度的升高,聚乙烯醇分子νOH-聚乙烯醇-第一溫度區(qū)間、νasCH2-聚乙烯醇-第一溫度區(qū)間、νsCH2-聚乙烯醇-第一溫度區(qū)間、δCH2-聚乙烯醇-第一溫度區(qū)間和νC-O-聚乙烯醇-第一溫度區(qū)間對應(yīng)的吸收強(qiáng)度增加。 聚乙烯醇分子其它官能團(tuán)的TD-MIR光譜數(shù)據(jù)見表1。
表1 聚乙烯醇分子的TD-MIR光譜數(shù)據(jù)(303 K~343K)
測試溫度(K)聚乙烯醇分子主要官能團(tuán)對應(yīng)的吸收頻率及強(qiáng)度cm-1(A)323 3303.80(0.09),2937.89(0.07),2906.84(0.08),1716.24(0.03),1587.68(0.02),1420.14(0.09),1375.42(0.07),1322.85(0.09),1237.83(0.07),1141.47(0.11),1086.20(0.16),916.07(0.07),842.94(0.12),639.16(0.12);333 3309.05(0.10),2938.29(0.08),2906.69(0.08),1716.48(0.03),1586.91(0.02),1420.18(0.10),1375.37(0.08),1322.40(0.10),1237.75(0.08),1141.31(0.12),1086.32(0.18),915.36(0.08),843.26(0.13),607.12(0.15);343 3307.88(0.11),2938.48(0.09),2906.63(0.09),1716.45(0.04),1584.01(0.03),1420.28(0.11),1375.47(0.08),1322.39(0.10),1237.46(0.09),1141.17(0.13),1086.06(0.19),914.98(0.09),843.59(0.15),606.31(0.16);
2.2.2 “第二溫度區(qū)間”聚乙烯醇分子的TD-MIR光譜研究
進(jìn)一步在“第二溫度區(qū)間”開展了聚乙烯醇分子的TD-MIR光譜研究(圖3)。
圖3 聚乙烯醇分子TD-MIR光譜(343 K~363 K)
實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn):隨著測定溫度的升高,聚乙烯醇分子νOH-聚乙烯醇-第二溫度區(qū)間和νC-O-聚乙烯醇-第二溫度區(qū)間對應(yīng)的吸收 頻 率 發(fā) 生 了 藍(lán) 移,νasCH2-聚乙烯醇-第二溫度區(qū)間和νsCH2-聚乙烯醇-第二溫度區(qū)間對應(yīng)的吸收頻率發(fā)生了紅移,而δCH2-聚乙烯醇-第二溫度區(qū)間對應(yīng)的吸收頻率先發(fā)生藍(lán)移后發(fā)生紅移。隨著測定溫度的升高,聚乙烯醇分子νOH-聚乙烯醇-第二溫度區(qū)間、νasCH2-聚乙烯醇-第二溫度區(qū)間、νsCH2-聚乙烯醇-第二溫度區(qū)間、δCH2-聚乙烯醇-第二溫度區(qū)間和νC-O-聚乙烯醇-第二溫度區(qū)間對應(yīng)的吸收強(qiáng)度增加。 聚乙烯醇分子其它官能團(tuán)的TD-MIR光譜數(shù)據(jù)見表2。
表2 聚乙烯醇分子TD-MIR光譜數(shù)據(jù)(343 K~363 K)
2.2.3 “第三溫度區(qū)間”聚乙烯醇分子的TD-MIR光譜研究
最后在“第三溫度區(qū)間”開展了聚乙烯醇分子的TD-MIR光譜研究(圖4)。
圖4 聚乙烯醇分子TD-MIR光譜數(shù)據(jù)(363 K~523 K)
實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn):隨著測定溫度的升高,聚乙烯醇分子νOH-聚乙烯醇-第三溫度區(qū)間和νsCH2-聚乙烯醇-第三溫度區(qū)間對應(yīng)的吸收 頻 率 發(fā) 生 了 藍(lán) 移,νasCH2-聚乙烯醇-第三溫度區(qū)間和νC-O-聚乙烯醇-第三溫度區(qū)間對應(yīng)的吸收頻率先發(fā)生藍(lán)移后發(fā)生了紅移,δCH2-聚乙烯醇-第三溫度區(qū)間對應(yīng)的吸收頻率沒有發(fā)生規(guī)律性的改變。隨著測定溫度的升高,聚乙烯 醇 分 子νasCH2-聚乙烯醇-第三溫度區(qū)間、νsCH2-聚乙烯醇-第三溫度區(qū)間、δCH2-聚乙烯醇-第三溫度區(qū)間和νC-O-聚乙烯醇-第三溫度區(qū)間對應(yīng)的吸收強(qiáng)度增加,而νOH-聚乙烯醇-第三溫度區(qū)間對應(yīng)的吸收強(qiáng)度先增加后降低。聚乙烯醇分子其它官能團(tuán)的TD-MIR光譜數(shù)據(jù)見表3。
表3 聚乙烯醇分子的TD-MIR光譜數(shù)據(jù)(363 K~523 K)
測試溫度(K) 聚乙烯醇分子主要官能團(tuán)對應(yīng)的吸收頻率及強(qiáng)度cm-1(A)473 3392.61(0.12),2937.80(0.12),2908.21(0.12),1773.48(0.06),1722.13(0.07),1716.59(0.07),1635.92(0.05),1586.93(0.05),1557.89(0.05),1542.98(0.04),1535.37(0.04),1524.11(0.04),1508.13(0.04),1422.44(0.16),1378.73(0.13),1316.11(0.15),1238.06(0.14),1137.34(0.17),1085.55(0.29),1023.96(0.21),909.03(0.12),842.24(0.20),671.34(0.15),606.78(0.22);483 3412.71(0.12),2936.66(0.12),2909.67(0.12),1773.86(0.06),1722.09(0.07),1716.52(0.07),1635.95(0.05),1587.20(0.05),1557.89(0.05),1542.95(0.04),1535.54(0.04),1524.08(0.04),1508.10(0.04),1422.36(0.15),1314.56(0.14),1240.17(0.14),1084.75(0.30),908.71(0.12),841.37(0.19),671.25(0.15),604.41(0.22);493 3421.67(0.12),2935.44(0.12),2911.26(0.12),1773.63(0.06),1721.91(0.07),1716.32(0.07),1635.69(0.05),1587.23(0.05),1557.84(0.05),1543.10(0.05),1535.39(0.04),1524.13(0.04),1508.35(0.04),1422.06(0.15),1313.88(0.14),1243.81(0.14),1084.42(0.30),839.51(0.18),668.18(0.15);503 3422.57(0.12),2934.87(0.12),2911.84(0.12),1773.54(0.07),1722.18(0.07),1716.36(0.07),1635.81(0.05),1586.60(0.05),1557.82(0.05),1543.14(0.05),1535.20(0.04),1508.25(0.05),1421.73(0.15),1313.45(0.14),1247.25(0.14),1084.19(0.31),839.11(0.18),671.11(0.14),603.42(0.22);513 3437.81(0.12),2934.48(0.12),2911.88(0.12),1773.38(0.07),1722.12(0.07),1716.15(0.07),1635.58(0.05),1584.16(0.05),1557.82(0.05),1543.30(0.05),1535.04(0.04),1508.22(0.05),1416.39(0.15),1313.34(0.14),1246.95(0.14),1084.27(0.32),839.64(0.18),671.45(0.14);523 3437.73(0.11),2934.42(0.12),2911.72(0.12),1722.49(0.07),1716.07(0.07),1583.27(0.05),1557.86(0.05),1543.32(0.05),1535.08(0.05),1508.11(0.05),1500.30(0.05),1416.56(0.15),1313.20(0.15),1247.37(0.14),1084.04(0.32),838.99(0.18),668.51(0.14);
聚乙烯醇分子的主要紅外吸收模式包括:νOH-聚乙烯醇、νasCH2-聚乙烯醇、νsCH2-聚乙烯醇、δCH2-聚乙烯醇和νC-O-聚乙烯醇。隨著測定溫度的升高,聚乙烯醇分子主要官能團(tuán)對應(yīng)的紅外吸收強(qiáng)度和頻率均發(fā)生明顯的改變,而熱穩(wěn)定性進(jìn)一步降低,并進(jìn)一步進(jìn)行了相關(guān)機(jī)理研究。本項(xiàng)研究為聚乙烯醇在紡織工業(yè)中的應(yīng)用,提供了有重要意義的科學(xué)參考。