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1、聚合物近代仪器分析聚合物近代仪器分析理论学时：24实验学时：8任课教师：分析测试中心牛金叶 Email: 主要研究对象研究对象研究对象：高分子材料，高聚物或以高聚物为主要成分，加入各种有机或无机添加剂，再经过加工成型的材料；研究方法研究方法：近代仪器分析实验技术；研究内容研究内容：高分子材料的组成、微观结构、微观结构与宏观性能之间的关系、高聚物的合成反应及在加工过程中结构的变化。分析方法简介紫外吸收光谱法荧光光谱法红外吸收光谱法o拉曼光谱法o核磁共振波谱法o电子顺磁共振波谱法质谱分析法气相色谱法o反气相色谱法o裂解气相色谱法o凝胶色谱法热重法差热分析示差扫描量热分析o静态热-力分析动态热-力分
2、析o透射电子显微术扫描电子显微术紫外吸收光谱法（UV）通过吸收峰的位置、强度和形状，提供分子中不同电子结构（官能团）的信息。红外吸收光谱法（IR）根据红外吸收峰的位置、强度和形状，提供分子中官能团或者化学键的特征振动频率。荧光光谱法（FS）通过荧光发射光谱峰的位置、强度和形状， ，提供分子中不同电子结构（官能团）的信息。拉曼光谱法（Ram）根据拉曼吸收峰的位置、强度和形状，提供分子中官能团或者化学键的特征振动频率。光谱分析【基本要求】理解各种光谱分析方法的基本原理掌握各种光谱分析方法的特点及其所能提供的信息掌握光谱特征与分子结构之间的相关关系熟悉基团的特征光谱频率及其影响因素掌握各种光谱分析结
3、果的解析方法【重点难点重点难点】光谱特征与分子结构之间的相关关系光谱特征与分子结构之间的相关关系基团的特征光谱频率及其影响因素光谱分析结果的解析方法吸收光谱定量分析的依据吸收光谱定量分析的依据10 10 10 10 10 10 101097531-1-3-5WavenumbersX射线射线紫外紫外可见可见近红外近红外中红外中红外远红外远红外微波微波无线电波无线电波Wavelength in microns核子核子电子电子振动振动10 10 10 10 10 10 10 10核磁共振核磁共振-5-3-113579转动转动光谱分析方法分类p吸收光谱法：吸收光谱法：紫外光谱法、红外光谱法p发射光谱法
4、：发射光谱法：荧光光谱法、磷光光谱法p散射光谱法：散射光谱法：拉曼光谱法吸光与透光强度的转换T(%) = 100I/I0A = -lgT A = bcT:透光率；I0：入射光强度；I:透射光强度A:吸光度：吸光系数；b:样品池厚度；c:待测溶液浓度紫外光谱 p紫外光谱紫外光谱（ultraviolet spectroscopy, UV）研究200400nm光区内的分子吸收光谱，广泛应用于无机和有机物的定性和定量测定，灵敏度高、无机和有机物的定性和定量测定，灵敏度高、选择性好，仪器设备简便、易于操作选择性好，仪器设备简便、易于操作。p紫外可见吸收光谱（紫外可见吸收光谱（ultraviolet-vi
5、sible molecular absorption spectroscopy, UV-VIS），将光谱测试范围扩展到400800nm的可见光区。p真空紫外光谱真空紫外光谱：低于200nm的吸收光谱，需要真空紫外光谱仪。常见基团的吸收特征常见基团 实 例 溶 剂max/nmmax烯C6H13CH=CH2正庚烷17713000炔C5H11CC-CH3正庚烷17810000 羧基CH3COOH乙醇20441酰胺基CH3CONH2水24160羰基CH3COCH3正己烷186/2801000/16偶氮基CH3N=NCH3乙醇3395硝基CH3NO2异辛烷28022影响紫外吸收带的因素o分子结构：生色团
6、不同o共轭体系的形成使吸收红移；o烷基与共轭体系相连使吸收少量红移；p溶剂极性：溶剂化效应，R带蓝移，K带红移o酸碱性：共轭结构减弱则蓝移，共轭结构增强则红移o温度：电子云密度 影响荧光及荧光强度的因素o跃迁类型跃迁类型：通常，具有*及n*跃迁结构的分子才会产生荧光。而且具*跃迁的量子效率比n*跃迁的要大得多（前者大、寿命短、kISC小）。o共轭效应共轭效应：共轭度越大，荧光越强。o刚性结构刚性结构：分子刚性（Rigidity）越强，分子振动少，与其它分子碰撞失活的机率下降，荧光量子效率提高。如荧光素（大）与酚酞（=0）；芴（=1）与联苯（ =0.18）。影响荧光及荧光强度的因素o取代基取代基
7、： 给电子取代基增强荧光（p-共轭），如-OH、-OR、 -NH2、-CN、NR2等； 吸电子基降低荧光，如 -COOH、 -C=O、 -NO2、-NO、-X等； 重原子降低荧光但增强磷光，如苯环被卤素取代，从氟苯到碘苯，荧光逐渐减弱到消失，该现象也称重原子效应。影响基团红外特征频率的因素o诱导效应o共轭效应o环张力效应o氢键效应o耦合效应o物质状态及溶剂效应核磁共振波谱法（NMR）根据峰的化学位移、强度、裂分数和耦合常数，提供分子中原子核的数目、所处化学环境和几何构型的信息。核磁共振与电子顺磁共振波谱法理论内容 2学时o3.1 核磁共振波谱o3.2 1H核磁共振波谱o3.3 13C核磁共振波
8、谱o3.4 NMR 在聚合物研究中的应用o3.5 NMR的经验计算公式o3.6 电子顺磁共振谱o3.7 ESR在聚合物研究中的应用核磁共振与电子顺磁共振波谱法【基本要求】理解NMR与ESR的基本原理掌握NMR谱图的特点及其所能提供的信息掌握NMR与ESR的分析对象及其对样品的要求熟悉NMR的经验计算公式掌握NMR谱图的解析方法了解NMR与ESR在聚合物研究中的应用【重点难点】化学位移的经验计算公式1H谱图的解析方法化学位移o即使使用不同的仪器或在不同的场强下,相同的官能团具有相同的ppm值.不同的官能团由于存在于不同的电子环境因而具有不同的化学位移,从而使结构鉴定成为可能. 化学位移的表示方法
9、化学位移的表示方法(1)(1)位移的标准位移的标准没有完全裸露的氢核，没没有完全裸露的氢核，没有绝对的标准。有绝对的标准。相对标准相对标准：四甲基硅烷四甲基硅烷Si(CH3)4 （TMS）（内标）（内标） 位移常数位移常数 TMS=0(2) 为什么用为什么用TMS作为基准作为基准? a. 12a. 12个氢处于完全相同的化学环境，只产生一个尖峰；个氢处于完全相同的化学环境，只产生一个尖峰； b. b.屏蔽强烈，位移最大。与有机化合物中的质子峰不重迭；屏蔽强烈，位移最大。与有机化合物中的质子峰不重迭； c. c.化学惰性；易溶于有机溶剂；沸点低，易回收。化学惰性；易溶于有机溶剂；沸点低，易回收。
10、影响化学位移的主要因素o电负性（表3-4）o电子环流效应o其他影响因素电子云密度高，化学位移值减小电子云密度低，化学位移值增大氢键的存在使得化学位移值增大同核J-偶合o多重峰出现的规则多重峰出现的规则:n1. 某一原子核与N个相邻的核相互偶合将给出(n+1)重峰.n2. 等价组合具有相同的共振频率.其强度与等价组合数有关（P67）.n3. 磁等价的核之间偶合作用不出现在谱图中.n4. 偶合具有相加性. 异核J-偶合峰裂分数与峰面积峰裂分数与峰面积 峰裂分数：n+1 规律；相邻碳原子上的质子数； 系数符合二项式的展开式系数； 峰面积与同类质子数成正比，仅能确定各类质子之间的相对比例。峰裂分数峰裂
11、分数峰裂分数峰裂分数1:11:3:3:11:11:2:1峰裂分数峰裂分数1H核与核与n个不等价个不等价1H核相邻时，裂分峰数：核相邻时，裂分峰数：（n+1)( n+1)个；个；(nb+1)(nc+1)(nd+1)=22 2=8Ha裂分为裂分为8重峰重峰1:3:3:11:2:11:11:6:15:20:15:6:1峰裂分数峰裂分数Ha裂分为裂分为多少多少重峰？重峰？01234JcaJbaJca JbaHa裂分峰裂分峰:(3+1)(2+1)=12实际实际Ha裂分峰裂分峰:(5+1)=6强度比近似为：强度比近似为：1:5:10:10:5:1气相色谱法（ GC）根据色谱峰的保留值进行定性分析，根据色谱
12、峰的峰面积进行组分含量分析。反气相色谱法（IGC）根据探针分子保留值与温度的关系曲线提供聚合物的热力学参数。第第4章章 气相色谱法与反气相色谱法气相色谱法与反气相色谱法【基本要求基本要求】理解色谱法分离的基本原理掌握气相色谱图的解析方法掌握气相色谱定性分析的依据及方法掌握气相色谱法定量分析的计算熟悉色谱法在高分子材料研究中的应用【重点难点重点难点】气相色谱图的解析方法气相色谱定性分析的依据及方法气相色谱法定量分析的计算归一化法归一化法 当当试样中全部组分都显示出色谱峰试样中全部组分都显示出色谱峰，且每个组分相应的，且每个组分相应的校正因子都知道时可用下式：校正因子都知道时可用下式： 式中，式中
13、，xi为试样中组分为试样中组分i的百分含量；的百分含量；Ai，fi分别代表组分别代表组分分i的峰面积和校正因子。的峰面积和校正因子。 此方法此方法简便、准确，测定结果受操作条件简便、准确，测定结果受操作条件(如进样量、如进样量、流量等流量等)影响较小。影响较小。内标法内标法 当试样组分不能全部从色谱柱流出，或有些组分在检测器当试样组分不能全部从色谱柱流出，或有些组分在检测器上没有信号时，就不能使用归一化法，这时可用内标法。上没有信号时，就不能使用归一化法，这时可用内标法。 在已知量的试样中加入能与所有组分完全分离的已知量在已知量的试样中加入能与所有组分完全分离的已知量的的内标物质内标物质，用相
14、应的校正因子校准待测组分的峰值并与内，用相应的校正因子校准待测组分的峰值并与内标物质的峰值进行比较，用下式求出待测组分的百分含量：标物质的峰值进行比较，用下式求出待测组分的百分含量： 式中，式中，Ai，As分别代表组分分别代表组分i与内标物的峰面积；与内标物的峰面积；fs,i 为组分为组分i与内标物质相比的校正因子；与内标物质相比的校正因子；m和和ms分别为试样和内标物的分别为试样和内标物的质量。质量。内标法内标法 此方法是通过测量内标物及欲测组份的峰面积的相对值此方法是通过测量内标物及欲测组份的峰面积的相对值来进行计算的，因而受色谱操作条件变化的影响较小，但来进行计算的，因而受色谱操作条件变
15、化的影响较小，但内标物加入量一定要准确内标物加入量一定要准确。 在试样中增加了一个内标物，这常常给分离造成一定的在试样中增加了一个内标物，这常常给分离造成一定的困难。困难。 内标物必须是待测试样中不存在的；内标物必须是待测试样中不存在的； 内标峰应与试样中各组份的峰分开，并尽量接近欲分析内标峰应与试样中各组份的峰分开，并尽量接近欲分析的组份。的组份。外标法外标法 式中式中xi为试样中组分的含量；为试样中组分的含量；Ei为标准试样中组分为标准试样中组分i的含的含量；量；AE为标准试样中组分为标准试样中组分i的峰面积。的峰面积。 这种方法不必加入内标物，不需要求校正因子，分析结这种方法不必加入内标
16、物，不需要求校正因子，分析结果的准确性取决于进样的准确程度和操作条件的稳定性。果的准确性取决于进样的准确程度和操作条件的稳定性。 在相同的操作条件下，分别将等量的试样和含待测组在相同的操作条件下，分别将等量的试样和含待测组分的标准试样进行色谱分析，再按下式计算组分的含量：分的标准试样进行色谱分析，再按下式计算组分的含量：叠加法叠加法 式中式中m和和mi分别为试样质量和加入组分分别为试样质量和加入组分i的质量；的质量；Ai和和Aj分别为试样中组分分别为试样中组分i和邻近组分和邻近组分j的峰面积，的峰面积，Ai和和Aj分别为分别为试样中加入待测组分之后，组分试样中加入待测组分之后，组分i和和j的峰
17、面积。的峰面积。 此方法也不需求校正因子，但要求有此方法也不需求校正因子，但要求有纯的待测组分纯的待测组分，且，且加入量一定要准确加入量一定要准确。 测出试样中待测组分及一邻近组分的峰值后，在已知测出试样中待测组分及一邻近组分的峰值后，在已知量的试样中加入一定量的待测组分，再测出此两组分的峰量的试样中加入一定量的待测组分，再测出此两组分的峰值，按下式求出待测组分的百分含量：值，按下式求出待测组分的百分含量：裂解气相色谱法（PGC）根据谱图的指纹性或特征碎片峰，表征聚合物的化学结构和几何构型。聚合物的热解分析【基本要求】理解热解分析及其特点熟悉几种典型的聚合物裂解方式理解裂解气相色谱的特点掌握裂
18、解气相色谱的谱图解析熟悉热解分析在聚合物研究中的应用了解热解分析主要联用技术【重点难点】几种典型的聚合物裂解方式裂解气相色谱的谱图解析凝胶色谱法（GPC）提供高聚物的平均分子量及其分布。 分离机理分离机理 体积排除色谱(SEC) （Size Exclusion Chromatography) 让被测量的高聚物溶液通过一根内装不同孔径的色谱柱，柱中可供分子通行的路径有粒子间的间隙（较大）和粒子内的通孔（较小）。当聚合物溶液流经色谱柱时，较大的分子被排除在粒子的小孔之外，只能从粒子间的间隙通过，速率较快；而较小的分子可以进入粒子中的小孔，通过的速率要慢得多。经过一定长度的色谱柱，分子根据相对分子质
19、量被分开，相对分子质量大的在前面（即淋洗时间短），相对分子质量小的在后面（即淋洗时间长）。 热重法（TG）曲线陡降处为样品失重区，平台区为样品的热稳定区。差热分析（DTA）提供聚合物的热转变温度及各种热效应信息。示差扫描量热分析（DSC）提供聚合物的热转变温度及各种热效应信息。静态热-力分析（TMA）揭示热转变温度和力学状态间的相关关系。动态热力分析（DMA）揭示热转变温度和弹性模量之间的相关关系。热分析【基本要求】理解DSC、TG的基本原理掌握DSC、TG曲线的特点及其所能提供的信息掌握Tg、Tm的处理方法了解DSC、TG在聚合物研究中的应用【重点难点】DSC、TG曲线的特点及其所能提供的信
20、息Tg、Tm的处理方法透射电子显微术（TEM）提供晶体形貌、分子量分布、微孔尺寸分布、多相结构、晶格与缺陷等相关材料信息。高分子材料的透射电子显微术高分子材料的透射电子显微术【基本要求基本要求】了解电磁透镜的理论分辨本领及其影响因素理解电磁透镜的景深和焦深了解透射电镜的结构及其成像机制掌握透射电镜用聚合物试样的制备技术了解透射电镜在高分子结构研究中的应用【重点难点重点难点】透射电镜的成像机制透射电镜用聚合物试样的制备技术光学显微镜分辨本领的理论极限光学显微镜分辨本领的理论极限o分辨率：两个大小相同的埃利斑像能被分辨的最小中心距所对应的试样上两个物点间距rd。p光学透镜分辨本领的极限值也只有20
21、0nm。电磁透镜的理论分辨本领电磁透镜的理论分辨本领电磁透镜的理论分辨本领电磁透镜的理论分辨本领o理论分辨本领：o减小电镜的球差和提高加速电压，有助于提高透射电镜的分辨本领。o根据不同的假设求得的透射电镜理论分辨本领约为0.20.3nm。目前实际透射电镜的点分辨率已接近于这个理论值。透射电镜用聚合物试样的制备技术透射电镜用聚合物试样的制备技术 透射电镜的试样载网很小，其直径一般约为透射电镜的试样载网很小，其直径一般约为3mm，所以，所以试样的横向尺寸一般不应大于试样的横向尺寸一般不应大于1mm。聚合物最厚不得超过。聚合物最厚不得超过100200nm。这样薄的试样放在一个多孔的载网上容易变形，。
22、这样薄的试样放在一个多孔的载网上容易变形，尤其是当试样横向尺寸只有微米量级时尤其是当试样横向尺寸只有微米量级时(比网眼还小很多比网眼还小很多)，更是如此。因此必须在载网上再覆盖一层散射能力很弱的支更是如此。因此必须在载网上再覆盖一层散射能力很弱的支持膜。近来常用的是蒸镀一层持膜。近来常用的是蒸镀一层20nm厚的碳膜。厚的碳膜。 透射电镜用聚合物试样的制备技术透射电镜用聚合物试样的制备技术透射电镜用聚合物试样的制备技术透射电镜用聚合物试样的制备技术投影投影 透射电镜用聚合物试样的制备技术透射电镜用聚合物试样的制备技术超薄切片超薄切片 透射电镜用聚合物试样的制备技术透射电镜用聚合物试样的制备技术染
23、色染色 透射电镜用聚合物试样的制备技术透射电镜用聚合物试样的制备技术蚀刻蚀刻 透射电镜用聚合物试样的制备技术透射电镜用聚合物试样的制备技术冷冻脆断冷冻脆断 除了切片以外，块状聚合物样品的内部结构还可以通过除了切片以外，块状聚合物样品的内部结构还可以通过冷冻脆断的方法来显示。具体做法是先将样品在液氮冷冻脆断的方法来显示。具体做法是先将样品在液氮(或液态或液态空气空气)中浸泡一段时间，待液氮表面不再有气泡时，表明样品中浸泡一段时间，待液氮表面不再有气泡时，表明样品内外均已冷冻到了液氮温度。这时将样品取出，迅速折断。内外均已冷冻到了液氮温度。这时将样品取出，迅速折断。折断后如果断面粗糙，可用扫描电镜
24、观察。如果断面不太粗折断后如果断面粗糙，可用扫描电镜观察。如果断面不太粗糙，也不能直接放入透射电镜中观察。只能先复型，后观察。糙，也不能直接放入透射电镜中观察。只能先复型，后观察。透射电镜用聚合物试样的制备技术透射电镜用聚合物试样的制备技术复型复型透射电镜用聚合物试样的制备技术透射电镜用聚合物试样的制备技术复型复型透射电镜用聚合物试样的制备技术透射电镜用聚合物试样的制备技术表面装饰表面装饰扫描电子显微术（ SEM ）提供断口形貌、表面显微结构、薄膜内部的显微结构、微区元素定性与定量分析等信息。扫描电镜的特点扫描电镜的特点o(1) (1) 可以观察直径为可以观察直径为30mm30mm以内的大块试
25、样以内的大块试样( (在半导体工在半导体工业可以观察更大直径业可以观察更大直径) )，制样方法简单。，制样方法简单。(2) (2) 场深大，三百倍于光学显微镜，适用于粗糙表面场深大，三百倍于光学显微镜，适用于粗糙表面和断口的分析观察；图像富有立体感、真实感、易于和断口的分析观察；图像富有立体感、真实感、易于识别和解释。识别和解释。(3) (3) 放大倍数变化范围大，一般为放大倍数变化范围大，一般为15 15 200,000 200,000 倍，倍，最大可达最大可达10 10 1,000,000 1,000,000 倍，对于多相、多组成的倍，对于多相、多组成的非均匀材料便于低倍下的普查和高倍下的
26、观察分析。非均匀材料便于低倍下的普查和高倍下的观察分析。(4) (4) 具有相当高的分辨率，一般为具有相当高的分辨率，一般为 2 2 6nm 6nm ，最高，最高优于优于1nm 1nm 。扫描电镜的特点扫描电镜的特点o(5) (5) 可以通过电子学方法有效地控制和改善图像的可以通过电子学方法有效地控制和改善图像的质量，如通过，调制可改善图像反差的宽容度，使质量，如通过，调制可改善图像反差的宽容度，使图像各部分亮暗适中。采用双放大倍数装置或图像图像各部分亮暗适中。采用双放大倍数装置或图像选择器，可在荧光屏上同时观察不同放大倍数的图选择器，可在荧光屏上同时观察不同放大倍数的图像或不同形式的图像。像
27、或不同形式的图像。o(6) (6) 可进行多种功能的分析。与可进行多种功能的分析。与 X X 射线谱仪配接，射线谱仪配接，可在观察形貌的同时进行微区成分分析；配有电子可在观察形貌的同时进行微区成分分析；配有电子背散射衍射等附件时，可观察金属材料、矿物材料背散射衍射等附件时，可观察金属材料、矿物材料的晶粒尺寸、晶相、织构等进行分析。的晶粒尺寸、晶相、织构等进行分析。o(7) (7) 可使用加热、冷却和拉伸等样品台进行动态试可使用加热、冷却和拉伸等样品台进行动态试验，观察在不同环境条件下的相变及形态变化等。验，观察在不同环境条件下的相变及形态变化等。表 各种信号成像的分辨率(nm) 信号信号二次电
28、子二次电子背散射电子背散射电子吸收电子吸收电子特征特征x射射线线分辨率分辨率5-1050-200100-1000100-1000扫描电镜图像的分辨率决定于以下因素:（1）入射电子束束斑的大小。（2）成像信号。从表中可以看出，扫描电镜用不同信号成像时分辨率是不同的，二次电子像的分辨率最高，x射线像的分辨率最低。电子衍射及其在聚合物结构研究中的应用电子衍射及其在聚合物结构研究中的应用【基本要求】了解电子衍射花样的形成过程了解电子衍射的基本公式掌握各种结构的衍射花样了解选区电子衍射花样的分析方法【重点难点】各种结构的衍射花样选区电子衍射花样的分析方法各种结构的衍射花样各种结构的衍射花样o1） 单晶体
29、的衍射花样。 不同入射方向的CZrO2衍射斑点 (a)111; (b)011; (c) 001; (d) 112各种结构的衍射花样各种结构的衍射花样o2）多晶材料的电子衍射。 NiFe多晶纳米薄膜的电子衍射各种结构的衍射花样各种结构的衍射花样o3）非晶态物质衍射。 典型的非晶衍射花样选区电子衍射选区电子衍射NiAl多层模的组织形貌（a），大范围衍射花样(b)，单个晶粒的选区衍射(c)电子衍射的基本公式由于电子束波长很短，衍射球的半径很大，在倒易点阵原点O附近，衍射球面非常接近平面 。在恒定的实验条件下， 是一个常数，称为衍射常数 衍射斑点规则排列衍射斑点散乱 环状的轮廓锐利的衍射环弥散的多个衍射环超晶格栾位错
