《聚合物的表征概述》由会员分享，可在线阅读，更多相关《聚合物的表征概述（12页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、目 录1前言02表征方法12.1 红外光谱法(IR)12.2 核磁共振法(NMR)32.3热分析法32.4 扫描电镜法52.5 X-射线衍射法52.6原子力显微镜法62.7透射电镜法73聚合物表征的相关研究84结论8参考文献9聚合物表征方法概述摘要：介绍了常规的聚合物的表征方法，具体叙述了红外光谱(IR)、X射线衍射 (XRD)、透射电镜(TEM)、核磁共振(NMR)等的原理、方法、特点、局限性及改 进方法并展望了聚合物表征方法的发展趋势。关键词：聚合物表征方法Summary of polymer characterization methodsAbstract： The convention
2、al polymer characterization methods were introduced in this paper. The principle, method, characteristics infrared spectra (IR), X-ray diffraction (XRD), transmission electron microscopy (TEM) and the nuclear magnetic resonance (NMR) have been described, the limitations, the improved method and the
3、predicts the development trend of those polymer characterization methods have been summarized.Keyword： polymer characterization method1前言功能高分子是指具有某些特定功能的高分子材料1。它们之所以具有特定的 功能，是由于在其大分子链中结合了特定的功能基团，或大分子与具有特定功能 的其他材料进行了复合，或者二者兼而有之。功能高分子材料从20世纪50年代 才初露端倪，到70年代方成为高分子学科的一个分支，目前正处于成长时期。 它是在合成或天然高分子原有力学性能的基础
4、上，再赋予传统使用性能以外的各 种特定功能而制得的一类高分子2。一般在功能高分子的主链或侧链上具有显示 某种功能的基团，其功能性的显示往往十分复杂，不仅决定于高分子链的化学结 构、结构单元的序列分布、分子量及其分布、支化、立体结构等一级结构，还决 定于高分子链的构象、高分子链在聚集时的高级结构等，后者对生物活性功能的 显示更为重要闵。在科学研究和生产中，无论是对物质结构与性能的分析测试还是反应过程的 研究，一种热分析手段与另一种或几种热分析手段或其他分析手段联合使用，都 会收到互相补充。互相验证的效果，从而获得更全面更可靠的信息囹。2表征方法研究聚合物（功能高分子）的结构是非常重要的，现在有很
5、多种研究方法，如： 红外光谱法，核磁共振法，热分析法，扫描电镜法，x-射线衍射法，原子力显微 镜法，溶解法，透射电镜法等。2.1红外光谱法（IR）红外光谱是检测高分子材料组成与结构的最重要方法之一。红外光谱技术 已经广泛地用来鉴别高聚物，定量地分析化学成分，并用来确定构型、构象、支 链、端基及结晶度除此之外，高聚物材料中的添加剂、残留单体、填料的鉴定都 可以用红外光谱法完成。现在红外光谱技术已成为高分子结构分析最成熟的分析 手段之一。扫描电镜由电子枪发射出来电子束（直径约50 pm），在加速电压的作 用下经过磁透镜系统汇聚，形成直径为5 nm的电子束，聚焦在样品表面上，在 第二聚光镜和物镜之间
6、偏转线圈的作用下，电子束在样品上做光栅状扫描，电子 和样品相互作用，产生信号电子。这些信号电子经探测器收集并转换为光子，再 经过电信号放大器加以放大处理，最终成像在显示系统上。试样可为块状或粉末颗粒，成像信号可以是二次电子、背散射电子或吸收电 子。其中二次电子是最主要的成像信号。由电子枪发射的能量为5 keV35 keV 的电子，以其交叉斑作为电子源，经二级聚光镜及物镜的缩小形成具有一定能量、 一定束流强度和束斑直径的微细电子束，在扫描线圈驱动下，于试样表面按一定 时间、空间顺序作栅网式扫描。聚焦电子束与试样相互作用，产生二次电子发射 （以及其它物理信号），二次电子发射量随试样表面形貌而变化。
7、二次电子信号被 探测器收集转换成电信号，经视频放大后输入到显像管栅极，调制与入射电子束 同步扫描的显像管亮度，得到反应试样表面形貌的二次电子像。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。红外光谱通 常用波长Q)或波数(。)为横
8、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合作用，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
9、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。分子的振动形式可以分为两大类：伸缩振动和弯曲振动。前者是指原子沿键 轴方向的往复运动，振动过程中键长发生变化。后者是指原子垂直于化学键方向 的振动。通常用不同的符号表示不同的振动形式，例如，伸缩振动可分为对称伸 缩振动和反对称伸缩振动，分别用Vs和Vas表示。弯曲振动可分为面内弯曲 振动。)和面外弯曲振动(Y)。从理论上来说，每一个基本振动都能吸收与其频率 相同的红外光，在红外光谱对应的位置上出现一个吸收峰。实际上有一些振动分 子没有偶极矩变化是红外非活性的；另外有一些振动的频率相同，发
10、生简并；还 有一些振动频率超出了仪器可以检测的范围，这些都使得实际红外谱中的吸收峰 数目大大低于理论值。红外光谱组成分子的各种基团都有自己特定的红外特征吸收峰。不同化合物 中，同一种官能团的吸收振动总是出现在一个窄的波数范围内，但它不是出现在 一个固定波数上，具体出现在哪一波数，与基团在分子中所处的环境有关。引起 基团频率位移的因素是多方面的，其中外部因素主要是分子所处的物理状态和化 学环境，如温度效应和溶剂效应等。对于导致基团频率位移的内部因素，迄今已 知的有分子中取代基的电性效应：如诱导效应、共轭效应、中介效应、偶极场效 应等；机械效应：如质量效应、张力引起的键角效应、振动之间的耦合效应等
11、。 这些问题虽然已有不少研究报道，并有较为系统的论述，但是，若想按照某种效 应的结果来定量地预测有关基团频率位移的方向和大小，却往往难以做到，因为 这些效应大都不是单一出现的。这样，在进行不同分子间的比较时就很困难。另外氢键效应和配位效应也会导致基团频率位移，如果发生在分子间，则属 于外部因素，若发生在分子内，则属于分子内部因素。红外谱带的强度是一个振动跃迁概率的量度，而跃迁概率与分子振动时偶极 矩的变化大小有关，偶极矩变化愈大，谱带强度愈大。偶极矩的变化与基团本身 固有的偶极矩有关，故基团极性越强，振动时偶极矩变化越大，吸收谱带越强； 分子的对称性越高，振动时偶极矩变化越小，吸收谱带越弱。一
12、般来说，吸收最强的谱带往往对应于其主要基团的吸收，因此是较为特征 的，但有时一些不很强的谱带也能够很特征的反映高聚物的某种结构，可以作为 鉴定这个高聚物存在的特征谱带。2.2核磁共振法(NMR)核磁共振波谱实际上也是一种吸收光谱，来源于原子核能级间的跃迁。测定 NMR谱的根据是某些原子核在磁场中产生能量分裂，形成能级。用一定频率的 电磁波对样品进行照射，就可使特定结构环境中的原子核实现共振跃迁，在照射 扫描中记录发生共振是的信号位置和强度，就得到NMR谱，谱上的共振信号位 置反映样品分子的局部结构(例如官能团，分子构象等)，信号强度则往往与有关 原子核在样品中存在的量有关。核磁共振谱可用来计算
13、高聚物混合物的化学组分。2.3热分析法热分析是指用热力学参数或物理参数随温度变化的关系进行分析的方法。最 常用的热分析方法有:差热分析(DTA)、热重量法(TG)、导数热重量法(DTG)、差 示扫描量热法(DSC )等。热分析技术能快速准确地测定物质的晶型转变、熔融、 升华、吸附、脱水、分解等变化，对无机、有机及高分子材料的物理及化学性能 方面，是重要的测试手段8。差示扫描量热法这项技术被广泛应用于一系列应用，它既是一种例行的质量 测试和作为一个研究工具。该设备易于校准，使用熔点低，是一种快速和可靠的 热分析方法。差示扫描量热法（DSC）是在程序控制温度下，测量输给物质和参比物的功率 差与温度
14、关系的一种技术。DSC和DTA仪器装置相似，所不同的是在试样和参比物容器下装有两组补 偿加热丝，当试样在加热过程中由于热效应与参比物之间出现温差AT时，通过 差热放大电路和差动热量补偿放大器，使流入补偿电热丝的电流发生变化，当试 样吸热时，补偿放大器使试样一边的电流立即增大；反之，当试样放热时则使参 比物一边的电流增大，直到两边热量平衡，温差AT消失为止。换句话说，试样 在热反应时发生的热量变化，由于及时输入电功率而得到补偿，所以实际记录的 是试样和参比物下面两只电热补偿的热功率之差随时间t的变化关系。如果升温 速率恒定，记录的也就是热功率之差随温度T的变化关系。差热分析法是以某种在一定实验温
15、度下不发生任何化学反应和物理变化的 稳定物质（参比物）与等量的未知物在相同环境中等速变温的情况下相比较，未知 物的任何化学和物理上的变化，与和它处于同一环境中的标准物的温度相比较， 都要出现暂时的增高或降低。降低表现为吸热反应，增高表现为放热反应。热重分析仪是一种利用热重法检测物质温度-质量变化关系的仪器。热重法 是在程序控温下，测量物质的质量随温度（或时间）的变化关系。当被测物质在加 热过程中有升华、汽化、分解出气体或失去结晶水时，被测的物质质量就会发生 变化。这时热重曲线就不是直线而是有所下降。通过分析热重曲线，就可以知道 被测物质在多少度时产生变化，并且根据失重量，可以计算失去了多少物质
16、。通过TGA实验有助于研究晶体性质的变化，如熔化、蒸发、升华和吸附等 物质的物理现象；也有助于研究物质的脱水、解离、氧化、还原等物质的化学现 象。热重分析通常可分为两类：动态（升温）和静态（恒温）。热重法试验得到的曲 线称为热重曲线（TG曲线），TG曲线以质量作纵坐标，从上向下表示质量减少； 以温度（或时间）作横坐标，自左至右表示温度（或时间）增加。热重分析仪主要由天平、炉子、程序控温系统、记录系统等几个部分构成。最常用的测量的原理有两种，即变位法和零位法。所谓变位法，是根据天平 梁倾斜度与质量变化成比例的关系，用差动变压器等检知倾斜度，并自动记录。 零位法是采用差动变压器法、光学法测定天平梁的倾斜度，然后去调整安装在天 平系统和磁场中线圈的电流，使线圈转动恢复天平梁的倾斜，即所谓零位法。由 于线圈转动所施加的力与质量变化成比例，这个力又与线圈中的电流成比例
