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

(石家莊學院 化工學院，河北石家莊050035)

聚乙烯醇具有強度高、韌性好和耐沖擊力強等優點，廣泛應用在醫用布、無紡布及紡高支紗織物等紡織工業領域[1－5]。聚乙烯醇的應用與其特殊的高分子結構有關。中紅外(MIR)光譜[6－11]和變溫中紅外(TD－MIR)光譜[12－18]廣泛應用于高分子的結構及熱穩定性研究，但聚乙烯醇相關研究少見報道。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生一定的改變，相關研究具有重要的應用價值。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，進一步探究了溫度變化對于聚乙烯醇分子結構及熱穩定性的影響，為聚乙烯醇在紡織工業中的應用提供了有意義的科學借鑒。

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，成都市科隆化學品有限公司)。

1.2 儀器與設備

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，每次試驗對于信號進行8次掃描累加；測溫范圍303 K～523 K，變溫步長10 K。

1.3.2 數據獲得及處理

聚乙烯醇分子的MIR及TD－MIR數據獲得采用美國PE公司Spectrum v 6.3.5操作軟件。

2 結果與分析

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構研究(圖1)。根據文獻報道[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”這三個溫度區間開展了聚乙烯醇分子的TD－MIR光譜研究，并進一步考查了溫度變化對聚乙烯醇分子結構的影響。

2.2.1 “第一溫度區間”聚乙烯醇分子的TD－MIR光譜研究

在“第一溫度區間”，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)

實驗發現:隨著測定溫度的升高，聚乙烯醇分子νOH－聚乙烯醇－第一溫度區間、νasCH2－聚乙烯醇－第一溫度區間和δCH2－聚乙烯醇－第一溫度區間對應的吸收頻率發生了藍移，而νsCH2－聚乙烯醇－第一溫度區間和νC－O－聚乙烯醇－第一溫度區間對應的吸收頻率發生了紅移。溫度的升高，進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－第一溫度區間對應的吸收頻率發生了明顯的藍移。隨著測定溫度的升高，聚乙烯醇分子νOH－聚乙烯醇－第一溫度區間、νasCH2－聚乙烯醇－第一溫度區間、νsCH2－聚乙烯醇－第一溫度區間、δCH2－聚乙烯醇－第一溫度區間和νC－O－聚乙烯醇－第一溫度區間對應的吸收強度增加。 聚乙烯醇分子其它官能團的TD－MIR光譜數據見表1。

表1 聚乙烯醇分子的TD－MIR光譜數據(303 K～343K)

測試溫度(K)聚乙烯醇分子主要官能團對應的吸收頻率及強度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 “第二溫度區間”聚乙烯醇分子的TD－MIR光譜研究

進一步在“第二溫度區間”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)

實驗發現:隨著測定溫度的升高，聚乙烯醇分子νOH－聚乙烯醇－第二溫度區間和νC－O－聚乙烯醇－第二溫度區間對應的吸收 頻 率 發 生 了 藍 移，νasCH2－聚乙烯醇－第二溫度區間和νsCH2－聚乙烯醇－第二溫度區間對應的吸收頻率發生了紅移，而δCH2－聚乙烯醇－第二溫度區間對應的吸收頻率先發生藍移后發生紅移。隨著測定溫度的升高，聚乙烯醇分子νOH－聚乙烯醇－第二溫度區間、νasCH2－聚乙烯醇－第二溫度區間、νsCH2－聚乙烯醇－第二溫度區間、δCH2－聚乙烯醇－第二溫度區間和νC－O－聚乙烯醇－第二溫度區間對應的吸收強度增加。 聚乙烯醇分子其它官能團的TD－MIR光譜數據見表2。

表2 聚乙烯醇分子TD－MIR光譜數據(343 K～363 K)

2.2.3 “第三溫度區間”聚乙烯醇分子的TD－MIR光譜研究

最后在“第三溫度區間”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光譜數據(363 K～523 K)

實驗發現:隨著測定溫度的升高，聚乙烯醇分子νOH－聚乙烯醇－第三溫度區間和νsCH2－聚乙烯醇－第三溫度區間對應的吸收 頻 率 發 生 了 藍 移，νasCH2－聚乙烯醇－第三溫度區間和νC－O－聚乙烯醇－第三溫度區間對應的吸收頻率先發生藍移后發生了紅移，δCH2－聚乙烯醇－第三溫度區間對應的吸收頻率沒有發生規律性的改變。隨著測定溫度的升高，聚乙烯 醇 分 子νasCH2－聚乙烯醇－第三溫度區間、νsCH2－聚乙烯醇－第三溫度區間、δCH2－聚乙烯醇－第三溫度區間和νC－O－聚乙烯醇－第三溫度區間對應的吸收強度增加，而νOH－聚乙烯醇－第三溫度區間對應的吸收強度先增加后降低。聚乙烯醇分子其它官能團的TD－MIR光譜數據見表3。

表3 聚乙烯醇分子的TD－MIR光譜數據(363 K～523 K)

測試溫度(K) 聚乙烯醇分子主要官能團對應的吸收頻率及強度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對應的紅外吸收強度和頻率均發生明顯的改變，而熱穩定性進一步降低，并進一步進行了相關機理研究。本項研究為聚乙烯醇在紡織工業中的應用，提供了有重要意義的科學參考。