聚苯乙烯變溫紅外光譜研究

尉念倫，趙茉含，陳麗云，李 鳳，高夢雅，羅普方，王 琪，于宏偉

(1.河北科技大學(xué) 材料學(xué)院，河北 石家莊 050018;2.石家莊學(xué)院 化工學(xué)院，河北 石家莊 050035)

聚苯乙烯(Polystyrene，縮寫 PS)是指由苯乙烯單體經(jīng)自由基加聚反應(yīng)合成的聚合物，其結(jié)構(gòu)如圖 1 所示。而聚苯乙烯纖維是一種較為新型高分子纖維，通常由靜電紡絲法制備。聚苯乙烯纖維具有很強(qiáng)的疏水性能，作為一種特種紡織材料，可以吸附水相中芳環(huán)類污染物，因而被廣泛應(yīng)用在環(huán)境科學(xué)領(lǐng)域中[1-4]。此外，聚苯乙烯還可以和纖維素[5]、棉纖維[6]、及聚丙烯[7]等高分子材料聚合，生成特種復(fù)合纖維材料，在紡織工業(yè)里具有廣泛的應(yīng)用前途。紅外光譜法廣泛應(yīng)用于高分子纖維材料的結(jié)構(gòu)研究[8-12]，但聚苯乙烯纖維的研究卻少見相關(guān)文獻(xiàn)報(bào)道。因此，本文采用紅外光譜及變溫紅外技術(shù)開展了聚苯乙烯結(jié)構(gòu)及熱穩(wěn)定性研究。

圖1 聚苯乙烯的分子結(jié)構(gòu)

1 材料與方法

1.1 材料

聚苯乙烯(揚(yáng)子石化-巴斯夫有限責(zé)任公司生產(chǎn))

1.2 儀器與設(shè)備

Spectrum 100 型中紅外光譜儀(美國 PE 公司出品)；ATR-FTIR 變溫附件及控件(英國 Specac 公司出品)。

1.3 方法

每次實(shí)驗(yàn)以空氣為背景，對于信號進(jìn)行 8 次掃描累加，測溫范圍 303 K ～ 393 K。

1.4 數(shù)據(jù)獲得及處理

一維紅外光譜數(shù)據(jù)獲得采用 PE 公司 Spectrum v 6.3.5 操作軟件；二階導(dǎo)數(shù)紅外光譜數(shù)據(jù)獲得采用 PE公司 Spectrum v 6.3.5 操作軟件，平滑點(diǎn)數(shù)為 13。

2 結(jié)果與分析

2.1 聚苯乙烯紅外光譜研究

A 一維紅外光譜

B 二階導(dǎo)數(shù)紅外光譜

4000 cm-1～ 600 cm-1的頻率范圍內(nèi)首先開展了聚苯乙烯的一維紅外光譜研究研究(圖 2A)。根據(jù)文獻(xiàn)報(bào)道[13-14]，3102 cm-1(νC-H-1)、3082 cm-1(νC-H-2)、3060 cm-1(νC-H-3)、3025 cm-1(νC-H-4)和3002cm-1(νC-H-5)頻率處的紅外吸收峰歸屬于聚苯乙烯分子中苯環(huán)上 C-H 伸縮振動模式(νC-H)；2921 cm-1頻率處的紅外吸收峰歸屬于聚苯乙烯分子中 CH2不對稱伸縮振動模式(νasCH2)；2850 cm-1頻率處的紅外吸收峰歸屬于聚苯乙烯分子中 CH2對稱伸縮振動模式(νsCH2)；1601 cm-1、1583 cm-1、1493 cm-1和1452 cm-1頻率處的紅外吸收峰歸屬于聚苯乙烯分子中苯環(huán)的骨架振動模式(ν-Benzene Skeleton)；1068 cm-1和 1028 cm-1頻率處的紅外吸收峰歸屬于聚苯乙烯分子中苯環(huán)上 C-H 面內(nèi)彎曲振動模式(βCH)；964 cm-1和 906 cm-1頻率處的紅外吸收峰歸屬于聚苯乙烯分子中烯烴面外變形振動模式(γR=CH2)；而 750 cm-1和 695 cm-1頻率處的紅外吸收峰歸屬于聚苯乙烯分子中苯環(huán)上 C-H 面外彎曲振動模式(γCH)；進(jìn)一步研究了聚苯乙烯的二階導(dǎo)數(shù)紅外光譜(圖 2B)，其譜圖分辨能力有一定的提高，相關(guān)紅外光譜信息見后面表 1。

2.2 聚苯乙烯變溫紅外光譜研究

由于聚苯乙烯的官能團(tuán)的紅外吸收頻率主要集中在 3100cm-1～ 2800cm-1、1650cm-1～ 1400cm-1、1100cm-1～ 900cm-1和780cm-1～ 680cm-1等四個頻率區(qū)間，因此，本文主要在這四個頻率區(qū)間內(nèi)重點(diǎn)開展了聚苯乙烯的官能團(tuán)的變溫紅外光譜研究，來進(jìn)一步研究溫度變化對于聚苯乙烯分子結(jié)構(gòu)的影響。

2.2.1 3100 cm-1～ 2800 cm-1頻率范圍內(nèi)聚苯乙烯變溫紅外光譜研究

A 變溫一維紅外光譜

B 變溫二階導(dǎo)數(shù)紅外光譜

在 3100 cm-1～ 2800 cm-1頻率范圍內(nèi)，首先開展了聚苯乙烯的變溫紅外光譜研究(圖 3A)。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)：隨著測定溫度的升高，聚苯乙烯νC-H-1、νC-H-2、νC-H-3對應(yīng)的的紅外吸收頻率出現(xiàn)了紅移現(xiàn)象，νasCH2對應(yīng)的紅外吸收頻率出現(xiàn)了藍(lán)移現(xiàn)象，而νC-H-4、νC-H-5和νsCH2對應(yīng)的紅外吸收頻率不變，而相應(yīng)的紅外吸收強(qiáng)度均有所增加；進(jìn)一步開展了聚苯乙烯的變溫二階導(dǎo)數(shù)紅外光譜研究(圖 3B)，其譜圖分辨能力要優(yōu)于相應(yīng)的變溫一維紅外光譜，實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)：隨著測定溫度的升高，聚苯乙烯νasCH2對應(yīng)的紅外吸收頻率出現(xiàn)了藍(lán)移現(xiàn)象，而νC-H-2、νC-H-5和νsCH2對應(yīng)的紅外吸收頻率出現(xiàn)了紅移現(xiàn)象，而νC-H-1、νC-H-3和νsCH4對應(yīng)的紅外吸收頻率不變，而相應(yīng)的紅外吸收強(qiáng)度均有所增加，相關(guān)紅外光譜數(shù)據(jù)見下頁表 1。

2.2.2 1650 cm-1～ 1400 cm-1頻率范圍內(nèi)聚苯乙烯變溫紅外光譜研究

A 變溫一維紅外光譜

B 變溫二階導(dǎo)數(shù)紅外光譜

在 1650 cm-1～ 1400 cm-1頻率范圍內(nèi)，首先開展了聚苯乙烯的變溫紅外光譜研究(圖 4A)。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)：隨著測定溫度的升高，聚苯乙烯ν-Benzene Skeleton-1、ν-Benzene Skeleton-2、ν-Benzene Skeleton-3和ν-Benzene Skeleton-4對應(yīng)的紅外吸收頻率出現(xiàn)了紅移現(xiàn)象，而相應(yīng)的紅外吸收強(qiáng)度均有所增加；進(jìn)一步開展了聚苯乙烯的變溫二階導(dǎo)數(shù)紅外光譜研究(圖 4B)，則得到了同樣的紅外光譜信息，相關(guān)紅外光譜數(shù)據(jù)見表 1。

2.2.3 1100 cm-1～ 900 cm-1頻率范圍內(nèi)聚苯乙烯變溫紅外光譜研究

A 變溫一維紅外光譜

B 變溫二階導(dǎo)數(shù)紅外光譜

在 1100 cm-1～ 900 cm-1頻率范圍內(nèi)，首先開展了聚苯乙烯的變溫紅外光譜研究(圖 5A)。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)：隨著測定溫度的升高，聚苯乙烯γR=CH2-2對應(yīng)的紅外吸收頻率出現(xiàn)了紅移現(xiàn)象，而βCH-1、βCH-2和γR=CH2-1對應(yīng)的紅外吸收頻率不變。隨著測定溫度的升高，聚苯乙烯官能團(tuán)(包括：βCH-1、βCH-2、γR=CH2-1和γR=CH2-2)相應(yīng)的紅外吸收強(qiáng)度均有所增加；進(jìn)一步開展了聚苯乙烯的變溫二階導(dǎo)數(shù)紅外光譜研究(圖 5B)，實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)：隨著測定溫度的升高，聚苯乙烯βCH-1、γR=CH2-1和γR=CH2-2對應(yīng)的紅外吸收頻率出現(xiàn)了紅移現(xiàn)象，而βCH-2對應(yīng)的紅外吸收頻率不變，而隨著測定溫度的升高，聚苯乙烯官能團(tuán)(包括：βCH-1、βCH-2、γR=CH2-1和γR=CH2-2)相應(yīng)的紅外吸收強(qiáng)度均有所增加，相關(guān)紅外光譜數(shù)據(jù)見下頁表1。

2.2.4 780 cm-1～ 680 cm-1頻率范圍內(nèi)聚苯乙烯變溫紅外光譜研究

A 變溫一維紅外光譜

B 變溫二階導(dǎo)數(shù)紅外光譜

在 780 cm-1～ 680 cm-1頻率范圍內(nèi)，首先開展了聚苯乙烯的變溫紅外光譜研究(圖 6A)。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)：隨著測定溫度的升高，聚苯乙烯γCH-1對應(yīng)的紅外吸收頻率出現(xiàn)了藍(lán)移現(xiàn)象，γCH-2對應(yīng)的紅外吸收頻率不變，而隨著測定溫度的升高，聚苯乙烯官能團(tuán)(包括：γCH-1和γCH-2)而相應(yīng)的紅外吸收強(qiáng)度均有所增加；進(jìn)一步開展了聚苯乙烯的變溫二階導(dǎo)數(shù)紅外光譜研究(圖 6B)，研究發(fā)現(xiàn)，隨著測定溫度的升高，苯乙烯γCH-1對應(yīng)的紅外吸收頻率出現(xiàn)了紅移現(xiàn)象，而γCH-2對應(yīng)的紅外吸收頻率出現(xiàn)了藍(lán)移現(xiàn)象。隨著測定溫度的升高，聚苯乙烯官能團(tuán)(包括：γCH-1和γCH-2)而相應(yīng)的紅外吸收強(qiáng)度均有所增加，相關(guān)紅外光譜數(shù)據(jù)見表 1。

表1 聚苯乙烯變溫紅外光譜數(shù)據(jù)(303 K ～ 393 K)

注：↑ 代表隨著測定溫度的升高，聚苯乙烯官能團(tuán)對應(yīng)的紅外吸收強(qiáng)度增加；

根據(jù)表 1 數(shù)據(jù)可知，隨著測定溫度的升高，聚苯乙烯主要官能團(tuán)對應(yīng)的紅外吸收頻率和峰型沒有顯著變化，但紅外吸收強(qiáng)度均有所增加。變溫紅外光譜進(jìn)進(jìn)一步證明，在 303 K ～ 393 K 的溫度范圍內(nèi)，聚苯乙烯結(jié)構(gòu)是基本穩(wěn)定的。

3 結(jié)論

采用紅外光譜技術(shù)開展了聚苯乙烯的結(jié)構(gòu)研究。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)：聚苯乙烯存在著 νC-H、νasCH2、νsCH2、ν-Benzene Skeleton、βCH、γR=CH2和γCH等七種紅外吸收模式。采用變溫紅外光譜技術(shù)進(jìn)一步開展了聚苯乙烯的分子的熱穩(wěn)定性研究。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)：在 303 K ～ 393 K 的溫度范圍內(nèi)，聚苯乙烯具有良好的熱穩(wěn)定性。本項(xiàng)研究拓展了變溫紅外光譜技術(shù)在聚苯乙烯分子熱穩(wěn)定性的研究范圍，具有重要的理論研究價值。