聚丙烯酸結(jié)構(gòu)研究

吳夢謠，李佳欣，孟露，張雅秀，于宏偉

（石家莊學院 化工學院，河北 石家莊 050035）

聚丙烯酸是一種水溶性高分子聚合物，可作為鞣劑的助劑應用在皮革工業(yè)中[1-3]。此外聚丙烯酸也應用于環(huán)境科學[4]、建筑科學與工程[5]、藥學[6]、電力工業(yè)[7]、礦業(yè)工程[8]、金屬工藝學[9]和農(nóng)藝學[10]等領域。聚丙烯酸的廣泛應用與其特殊的分子結(jié)構(gòu)有關。中紅外（MIR）光譜具有方便快捷的優(yōu)點，廣泛應用于物質(zhì)結(jié)構(gòu)研究領域[11-18]。因此，我們以聚丙烯酸為研究對象，分別開展了聚丙烯酸分子的MIR光譜及變溫中紅外（TD-MIR）光譜研究，為聚丙烯酸在皮革工業(yè)中的應用，提供了有價值的技術(shù)參考。

1 實驗部分

1.1 材料

聚丙烯酸（廣州美懿生物科技有限公司生產(chǎn)）。

1.2 儀器

Spectrum100型傅里葉紅外光譜儀（美國PE公司），Golden Gate型單次內(nèi)反射ATR-FTIR變溫附件。

1.3 實驗方法

1.3.1 MIR光譜實驗方法

303 K的溫度下，以空氣為背景，每次試驗對于聚丙烯酸分子的光譜信號進行8次掃描累加，測定頻率范圍4000 cm-1～600 cm-1。聚丙烯酸分子的MIR光譜數(shù)據(jù)的獲得采用PE公司Spectrum v 6.3.5操作軟件。

1.3.2 TD-MIR光譜實驗方法

303 K的溫度下，以空氣為背景，每次試驗對于聚丙烯酸分子的光譜信號進行8次掃描累加，測定頻率范圍4000 cm-1～600 cm-1。采用變溫附件，變溫范圍303 K～523 K，變溫步長10 K。聚丙烯酸分子的TD-MIR光譜數(shù)據(jù)的獲得采用PE公司Spectrum v6.3.5操作軟件。

2 結(jié)果與討論

2.1 聚丙烯酸分子MIR光譜研究

采用MIR光譜開展聚丙烯酸分子的結(jié)構(gòu)研究（圖1）。

圖1 聚丙烯酸分子MIR光譜（303 K）Fig.1 MIR spectrum of polyacrylic acid molecule(303 K)

實驗發(fā)現(xiàn)：2935.11 cm-1頻率處的吸收峰歸屬于聚丙烯酸分子CH2不對稱伸縮振動模式（ν(asCH2-聚丙烯酸)）；1696.66 cm-1頻率處的吸收峰歸屬于聚丙烯酸分子C=O伸縮振動模式（ν(C=O-聚丙烯酸)）；1163.57 cm-1頻率處的吸收峰歸屬于聚丙烯酸分子C-O伸縮振動模式（ν(C-O-聚丙烯酸)）。

2.2 聚丙烯酸分子TD-MIR光譜研究

在三個溫度區(qū)間，采用TD-MIR光譜，進一步開展了聚丙烯酸分子的熱穩(wěn)定性研究。

2.2.1 第一溫度區(qū)間聚丙烯酸分子TD-MIR光譜研究

在第一溫度區(qū)間，首先開展了聚丙烯酸分子TD-MIR光譜研究（圖2）。實驗發(fā)現(xiàn)：隨著測定溫度的升高，聚丙烯酸分子ν(C=O-聚丙烯酸-第一溫度區(qū)間)和ν(asCH2-聚丙烯酸-第一溫度區(qū)間)對應的吸收頻率沒有規(guī)律性的改變，ν(C—O-聚丙烯酸-第一溫度區(qū)間)對應的吸收頻率紅移；隨著測定溫度的升高，聚丙烯酸分子ν (asCH2-聚丙烯酸-第一溫度區(qū)間)、ν(C=O-聚丙烯酸-第一溫度區(qū)間)和ν(C-O-聚丙烯酸-第一溫度區(qū)間)對應的吸收強度不斷增加，其它官能團相關光譜數(shù)據(jù)見表1。

圖2 聚丙烯酸分子TD-MIR光譜數(shù)據(jù)（303 K～373 K）Fig.2 Date of TD-MIR spectrum of polyacrylicacid molecule(303 K～373 K)

表1 聚丙烯酸分子的TD-MIR數(shù)據(jù)（303 K～373 K）Tab.1 TD-MIR spectrum data of polyacrylic acid molecular(303 K～373 K)

2.2.2 第二溫度區(qū)間聚丙烯酸分子TD-MIR光譜研究

在第二溫度區(qū)間，進一步開展了聚丙烯酸分子TD-MIR光譜研究（圖3）。實驗發(fā)現(xiàn)：隨著測定溫度的升高，聚丙烯酸分子ν(asCH2-聚丙烯酸-第二溫度區(qū)間)和ν(C=O-聚丙烯酸-第二溫度區(qū)間)對應的吸收頻率沒有規(guī)律性的改變，ν(C—O-聚丙烯酸-第二溫度區(qū)間)對應的吸收頻率紅移；隨著測定溫度的升高，聚丙烯酸分子ν (asCH2-聚丙烯酸-第二溫度區(qū)間)對應的吸收強度先增加后降低，而ν(C=O-聚丙烯酸-第二溫度區(qū)間)和ν(C-O-聚丙烯酸-第二溫度區(qū)間)對應的吸收強度不斷增加，其它官能團相關光譜數(shù)據(jù)見表2。

圖3 聚丙烯酸分子TD-MIR光譜數(shù)據(jù)（383 K～473 K）Fig.3 Date of TD-MIR spectrum of polyacrylicacid molecule(383 K～473 K)

表2 聚丙烯酸分子TD-MIR光譜數(shù)據(jù)（383 K～473 K）Tab.2 Date of TD-MIR spectrum of polyacrylic acid molecule(383 K～473 K)

2.2.3 第三溫度區(qū)間聚丙烯酸分子TD-MIR光譜研究

在第三溫度區(qū)間，最后開展了聚丙烯酸分子TD-MIR光譜研究（圖4）。實驗發(fā)現(xiàn)：隨著測定溫度的升高，聚丙烯酸分子ν(asCH2-聚丙烯酸-第三溫度區(qū)間)對應的吸收頻率沒有規(guī)律性的改變，ν(C-O-聚丙烯酸-第三溫度區(qū)間)對應的吸收頻率先藍移后紅移，ν(C=O-聚丙烯酸-第三溫度區(qū)間)對應的吸收頻率藍移；隨著測定溫度的升高，聚丙烯酸分子ν(asCH2-聚丙烯酸-第三溫度區(qū)間)對應的吸收強度不變，而ν(C=O-聚丙烯酸-第三溫度區(qū)間)和ν(C-O-聚丙烯酸-第三溫度區(qū)間)對應的吸收強度不斷降低，聚丙烯酸分子其它官能團相關光譜數(shù)據(jù)見表3。

圖4 聚丙烯酸分子TD-MIR光譜數(shù)據(jù)（483 K～523 K）Fig.4 Date of TD-MIR spectrum of polyacrylicacid molecule(483 K～523 K)

表3 聚丙烯酸分子TD-MIR光譜數(shù)據(jù)（483 K～523 K）Tab.3 Date of TD-MIR spectrum of polyacrylic acid molecule(483 K～523 K)

在303 K～523 K的溫度范圍內(nèi)，聚丙烯酸分子ν(C=O-聚丙烯酸)對應的吸收頻率出現(xiàn)了藍移的趨勢。這主要是因為，隨著測定溫度的升高，進一步破壞了聚丙烯酸分子間的氫鍵作用，而相應的聚丙烯酸分子的熱穩(wěn)定性則進一步降低。

3 結(jié)論

聚丙烯酸的紅外吸收模式包括：ν(asCH2-聚丙烯酸)、ν(C=O-聚丙烯酸)和ν(C-O-聚丙烯酸)。隨著測定溫度的升高，聚丙烯酸分子ν(asCH2-聚丙烯酸)、ν(C=O-聚丙烯酸)和ν(C-O-聚丙烯酸)對應的吸收頻率及強度均有明顯的改變，而相應的分子熱穩(wěn)定性進一步降低。本文為研究聚丙烯酸的結(jié)構(gòu)及熱穩(wěn)定性建立一個方法學，具有重要的應用研究價值。