高分子材料研究方法红外光谱

➢ 红外光谱法的特点
样品的状态不受限制，气体、液体、固体均可进 行红外测试
样品用量少
每种化合物都有红外吸收，由有机化合物的红 外光谱可以得到丰富的信息
常规的红外光谱仪价格相对低廉
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操作比较简单
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➢基本概念
波长与波数
γ=C/λ
γ=1/λ=γ/C
电磁波波段的划分
IR：0.7-1000μm
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➢ 红外光谱产生的条件
1. 2. 红外活性：红外光与分子间有偶合作用，只 有引起分子偶极矩发生变化的振动才能引起红 外吸收
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➢偶极子在交变电场中的作用示意图
对于一极性双原子分子A-B，在振动中随着原子间距离的变 化而引起分子偶极距的变化，结果会产生一个稳定的交变电 场，其频率等于振动的频率，此稳定的交变电场将和运动的 具有相同频率的电磁辐射电场相互作用，从而吸收辐射能量
➢ 分子振动的形式
伸缩振动：Stretching Vibration 高波数区
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弯曲振动：Bending Vibration 低波数区
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➢ 双原子分子的振动
键类型 力常数 峰位
—CC — > —C =C — > —C — C —
15 17 9.5 9.9
近红外、远红外及中红外
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近红外区（波长范围0.7-2.5μm）(15000-4000cm-1 )
低能量的电子跃迁及X-H的伸缩与弯曲振动的倍频与组合频 都在此区，与基频相比强度较弱.相差约两个数量级之多，测 定时需要加大样品的浓度。可用于定性定量分析。
Transmittance spectrum of lactic acid
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➢聚合物的谱带
组成吸收带
化学组成、单体的连接方式、支化或交联、序列分布等
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➢常见基团的红外吸收带
=C-H C-H CC C=C
O-H O-H（氢键）
C=O C-C，C-N，C-O
S-H P-H N-O N-N C-F C-X
N-H
CN C=N
C-H，N-H，O-H
3500
3000 2500 2000 1500
特征区 高分子材料研究方法红外光谱
1000 500
4000-1300cm-1 ——官能团区 1300cm-1以下 ——指纹区
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➢ 红外吸收的基本原理
物质的分子是由原子组成的。在分子内部存在着三种运动形 式，即电子绕原子核运动，原子核的振动和转动。每种运动 都有一定的量子化的能量 E＝E平＋ E转＋ E振＋ E电
用红外光照射化合物分子，分子吸收红外光的能量使其振动 能级和转动能级产生跃迁
4.5 5.6
2222 cm-1 1667 cm-1
1429 cm-1
化学键键强越强（K越大）原子折合质量越小，化学键的振动
频率越大，吸收峰将出高现分子在材料高研波究方数法红区外。光谱
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➢多原子分子的振动
分子由n个原子组成，每个原子 在空间有3个自由度，因此n个 原子组成的分子共有3n个自由 度，即3n种运动状态
Caution：
即使同一物质，其红外谱图的测定条件， 如测定方法，样品状态、浓度、溶剂、仪 器操作条件等不同，谱图也有所差别（外 因）
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➢红外谱图的表示方法
Absorbance spectrum of lactic acid
T%=lgI/I0×100% A=lg1/T=lgI0/I I-入射光被样品吸收后 透过的光强度 I0-入射光强度
第二章 红外光谱
Infrared Absorption Spectroscopy, IR
➢红外光谱法概述
19世纪初 :红外光的存在 1950年 ：红外分光光度计 1970年 ：傅立叶变换红外光谱仪（FTIR） 全反射红外(ATR) 红外光声光谱(PAS/FTIR) 色谱-红外联用
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基频：从基态到第一振动激发态产生的吸收频率 倍频：从基态到第二振动激发态产生的吸收频率。 实际上分子振动是一种非简谐振动，对于双原子分子
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➢ 红外光谱与分子结构的关系
1、红外光谱的分区 （1）基团结构与振动频率的关系
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（2）基团频率的划分
中红外区（波长范围2.5-25μm）(4000-400cm-1 )
分子中原子振动的基频谱带在此区。所谓基频是分子从基态 跃迁到第一激发态的共振吸收频率。此区适用于有机化合物 的结构分析和定量分析。
远红外区（波长范围25—1000μm）(400-10cm-1 )
主要是分子的骨架弯曲振动及无机化合物重原子之间的振动， 金属有机化合物、金属络合物的伸缩和变角振动等，主要用 于研究分子结构及气体的纯转动光谱。各类化合物在远红外 区的吸收规律不如中红高分外子材区料成研究熟方法。红外光谱
只有当外来电磁辐射的能量恰好等于基态与某一激发态的能 量之差时(ΔΕ=hυ)，这个能量才能被分子吸收产生红外光 谱，或者说只有当外来电磁辐射的频率恰好等于从基态跃迁 到某一激发态的频率时，则产生共振吸收——产生红外光谱。
红外吸收光谱是一种分子吸收光谱。
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指纹区
2、影响基团频率位移的因素（内因）
（1）电子效应 1）诱导效应
2）共轭效应
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（2）空间效应 1）空间位阻
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2）环的张力
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（3）氢键效应 异丙醇的液膜（a）和气相（b）红外光谱
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（4）耦合效应
这3n种运动状态中，包括3个整 个分子的质心沿x、y、z方向平 移运动和3个整个分子绕轴的转 动。这6种运动不是分子振动， 振动形式有（3n-6）种
对直线型分子，若贯穿所有原 子的轴在x方向，则整个分子只 能绕y、z轴转动，直线性分子 振动形式为（3n-5）种高分子材料研究方法红外光谱
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