聚乙烯醇中紅外光譜研究

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。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

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)。

1.2 儀器與設(shè)備

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 方法

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。

2 結(jié)果與分析

2.1 聚乙烯醇分子的MIR光譜研究

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)。

2.2 聚乙烯醇分子的TD－MIR光譜研究

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)；

3 結(jié)論

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。