第２６卷第３期 大学物理实验 Ｖ０１．２６ Ｎｏ．３ ２０１３年６月 ＰＨＹＳＩＣＡＬ ＥＸＰＥＲＩＭＥＮＴ ＯＦ Ｃ０ＬＬＥＧＥ Ｊｕｎ．２０１３ 文章编号：１００７—２９３４（２０１３）０３—０００１—０３ 聚乙烯薄膜材料的红外光谱研究 张多，宋根宗 （东北大学，辽宁沈阳１１０００４） 摘 要：由于红外吸收光谱法具有许多突出的优点，因此它在许多领域有广泛的应用。在薄膜、合 成纤维、橡胶、塑料等高聚物的研究方面，用于单体、聚合物、添加剂的定性、定量和结构分析。一般高聚 物的红外光谱中谱带的数目很多，而且不同种类的物质其光谱很不相同，特征性很强。此外红外光谱法 的制样和实验技术相对比较简单，它适用于各种物理状态的样品。本实验研究以高聚物薄膜材料做样 品，对样品高聚物进行红外光谱分析，分析表明，本实验所用样品高聚物成分为聚乙烯材料，这个实验结 果也表明，用红外光谱法鉴定高聚物的组成非常有效。红外光谱法用于定量组分分析，与其它测量方法 相比，具有制样简单方便、重复性好和测量精度高的特点。 关键词：高聚物；红外光谱；薄膜；聚乙烯 中图分类号：０ ４－３３ 文献标志码：Ａ 高聚物材料因其质轻、美观、耐腐蚀、品种繁 长红外辐射的吸收程度是不同的，因此当不同波 多、易于加工等特点，广泛用于各类产品的包装。 长的红外辐射依次照射到样品物质时，由于某些 高聚物透明材料由于透光度高，相对密度小，绝缘 波长的辐射能被样品选择吸收而减弱于是形成红 性能良好，具有一定的强度和韧性。聚乙烯薄膜 外吸收光谱。通常用透过与波数（波长的倒数 作为高聚物材料，由于其耐水、耐腐蚀、热封性好。 ｃｍ－ ）所作的红外吸收光谱曲线来表征各种物质 广泛用于制造各种薄膜、容器以及泡沫体、打包 带、塑料绳、塑料网等。近年来在核物理，天体物 的红外吸收光谱［７ ］。 理，反应堆运行中运用聚乙烯作为漫化剂来测量 在红外光谱分析中，２．５ ｍ～１５ １ａｍ（４ ０００ 中子。对核物理的研究做出了自己的贡献．我们 ６６７ ｃｍ－ ）的中红外区是应用最广泛的光谱区。 常常提的方便袋就是聚乙烯（ＰＥ）。聚乙烯是结 其中２．５～７．５ ａ１ｍ称为特征谱带区。因为各类官 构最简单的高分子，也是应用最广泛的高分子材 能团的特征吸收峰都出现在这区域。７．５～ 料。聚乙烯无臭，无毒，手感似蜡，具有优良的耐 １５，ａｍ称为指纹区，在鉴定物质分子的官能团时， 低温性能（最低使用温度可达（－７０￣－１００℃），化 指纹区的一些吸收峰常作旁证，对同系物或异构 学稳定性好，能耐大多数酸碱的侵蚀，吸水性小， 体的鉴别特别有用。物质的分子振动往往在特征 电绝缘性能优良。红外光谱具有高度特征性，可 区和指纹区产生若干个吸收峰，这些相互依存的 以采用与标准化合物的红外光谱对比的方法来做 可以相互佐证的吸收峰称为相关峰。 分析鉴定。利用化学键的特征波数来鉴别化合物 一的类型，并可用于定量测定。目前，红外光谱在高 条红外吸收光谱曲线可以由吸收峰位置、 聚物的构型、成分分析中广泛应用＿１ ｊ。 吸收峰形状和吸收峰强度来描述。所以我们重点 讨论吸收峰产生的原因和峰强、峰数、峰位及其影 １实验原理 响因素。 根据辐射定律：任何物体，只要温度高于０ ｋ， ２实验过程及结果分析 都要向周围环境发射红外辐射。只是随温度不 同，辐射特性发生变化而已。各种物质对不同波 一般高聚物的红外光谱中谱带的数目很多， 收稿日期：２０１３～０４—０２ 基金项目：辽宁省自然科学基金（２０１２０２０６６） 聚乙烯薄膜材料的红外光谱研究 而且不同种类的物质其光谱很不相同，故特征性 很强。此外，红外光谱法的制样和实验技术相对 比较简单，它适用于各种物理状态的样品。因此， 目前红外光谱法已经成为高聚物材料分析和鉴定 工作中最重要的手段之一。 ２．１光谱解析方法 要想对某一化合物的红外光谱进行正确的解 析，首先应该了解红外光谱的一些重要特征，即应 该通过红外光谱的哪些特征来提供这个化合物结 构的信息。红外光谱具有下面三个重要特征： ２．１．１位置 谱带位置是能表征某一基团存在的最有用的 特征。不过有些不同的基团可能在相同或相近的频 率区域产生吸收，所以做这种对应须特别小心。同 时要根据一些相关峰来做最后的鉴别。 ２．１．２形状 有时从谱带的形状也可以得到某些基团的信 息。例如氢键和离子的官能团可以产生很宽的红 外谱带，这对于鉴定特殊基团的存在很有用途。 酰胺基团的ｕ（Ｃ一０）和烯类的ｕ（Ｃ—Ｃ）均在 １ ６５０ ｃｍ－ 附近产生吸收，但酰胺基团的羧基大都 形成氢键，其谱带较宽，很容易和烯类的谱带 区别。 ２．１．３相对强度 把光谱中一条谱带的强度和另一条谱带相 比，可以得出一个定量的概念，同时也可以指示某 特殊基团或元素的存在。如ｃ—Ｈ基团邻接氯原 子时，将使它的摇摆和变形振动的谱带由弱变强， 因此从其对应谱带的增强可以判断氯原子的存 在。此外分子中如含有一些极性较强的基团，将 产生强的吸收带。例如羧基和醚键等的谱带均 很强。 ２．２高聚物的红外光谱定性分析 根据红外光谱的位置、形状、相对强度等特征 对样品进行分析，由于各种高聚物是由其各种小 分子单体构成的，因此对高聚物的光谱解析，必须 对基团的光谱和各种高聚物所特有的光谱非常熟 悉，同时对各种高聚物的结构也要非常了解，这样 在观察到有关光谱信息后才能与对应的高聚物结 构迅速联系起来。这就要求我们熟记各种高聚物 的特征吸收谱带。 为了便于查找和记忆，通常把一些常用的高聚 物光谱按最强吸收谱带位置分为如下六个区域： Ｉ区最强吸收带在１ ８００ １ ７００ ｃｍ－ ，主要 是聚酯类，聚羧酸类和聚酰亚胺类等高聚物。 Ⅱ区最强吸收带在１ ７００～１ ５００ ｃｍ－ ，主要 是聚酰胺类，聚和天然的多肽等高聚物。 Ⅲ区最强吸收带在１ ５００￣１ ３００ ｃｍ－ ，主要是饱 和聚烃基和一些具有极性基团取代的聚烃类。 Ⅳ区最强吸收带在１ ３ＯＯ～１ ２００ ｃｒｎ－ ，主要 是芳香族聚醚类，聚砜类和一些含氯的高聚物。 Ｖ区最强吸收带在ｌ ２００ １ ０００ ｃｍ－ ，主要 是脂肪族的聚醚类，醇类和含硅、含氟高聚物。 Ⅵ区最强吸收带在１ ０００￣６００ ｃｍ－ ，主要是 含有取代苯、不饱和双键和一些含氯的高聚物。 应用以上的分类来综合分析下图所示的样品 高聚物的红外谱图。 波数／ｃｍ－‘ 图ｌ样品鬲聚物的红外光谮图 首先从高频区域开始进行分析。在３ ７００～ ３ １００ ｃｍ－ 区域的谱带主要是由于（）ＩＨ和Ｎ－Ｈ 基团伸缩振动产生的，光谱中没有出现，因此化合 物不会是伯胺、仲胺、酰胺、醇和有机酸类。 ３ １００￣３ ０００ ｃｍ－ 区域的谱带是和烯类或芳环的 Ｃ－Ｈ伸缩振动有关，光谱中也没有吸收，因此又 排除了带有不饱和键的所有化合物。在３ ０００ ２ ８００ ｃｍ－ 区域有很强的谱带，是由分子中甲基、 亚甲基伸缩振动产生的。在２ ３００￣２ ０００ ｃｍ－ 区 域的谱带是归属为三键或邻接双键的伸缩振动， 由于没有吸收，化合物中不包含异氰酸酯和腈基 等基团。１ ８７０￣１ ５５０ ｃｍ－ 区域的谱带是和羰基 的伸缩振动有关的，这是红外光谱中一个很重要 的区域。对于酸酐、酯、酮、羧酸、酰胺和羧酸盐等 的Ｃ＿－Ｏ吸收都处在很窄的波数范围，比较容易 判断。由于没有吸收，因此上述所有基团都能排 除。烯类的Ｃ—Ｃ伸缩振动出现在１ ６７０～ １ ６００ ｃｍ－ 区域，也可以否定。芳环的伸缩振动出 现在１ ６００～１ ４５０ ｃｍ－ 之间，一般有四条谱带。 由于没有吸收，证明其不是芳香族的。甲基和亚 甲基的变形振动出现在１ ４９０～１ ３５０ ｃｍ－ 之间。 光谱中有强的吸收带，进而证实了ＣＨ。和ＣＨｚ 的存在。在１ ３１０￣１ ０２０ ｃｍ－ 区域中最具特征性 的谱带是对应醚键的吸收，也可以排除。在低于 ｌ ０００ ｃｍ－ 区域，仅有一对双峰分别位于７３１ ｃｍ－ 聚乙烯薄膜材料的红外光谱研究 和７２０ ｃｍ－ ，由于双键和芳环结构都已排除，所以 Ｓｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｉｃ Ａｐｐｒｏａｃｈ ｔｏ Ｉｎｖｅｓｔｉｇａｔｅ Ｔｒａｎｓｐｏｒｔ 这谱带应该是长链碳氢化合物的吸收。 Ｐｒｏｃｅｓｓｅｓ ｉｎ Ｐｏｌｙｍｅｒｓ：ｔｈｅ Ｃａｓｅ ｏｆ Ｗａｔｅｒ－ｅｐｏｘｙ 根据上述讨论可知，光谱中仅有碳氢基团的 Ｓｙｓｔｅｍ［Ｊ－］．Ｐｏｌｙｍｅｒ，２００１，４２（１５）：６４３１—６４３８． 吸收，可确定是长链的饱和碳氢化合物。从这类 Ｌ厶 Ｐａｕｌ Ｊ Ｂ，Ｐｒｏｖｅｎｃａｌ Ｒ Ａ，Ｃｈａｐｏ Ｃ，ｅｔ ａ１．Ｉｎｆｒａｒｅｄ Ｃａｖｉｔｙ Ｒｉｎｇｄｏｗｎ Ｓｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｙ ｏｆ ｔｈｅ Ｗａｔｅｒ Ｃｌｕｓｔｅｒ 高聚物的标准红外谱图中查对可得样品高聚物样 Ｂｅｎｄｉｎｇ Ｖｉｂｒａｔｉｏｎｓ［Ｊ］．Ｊ Ｐｈｙｓ Ｃｈｅｍ Ａ，１９９９，１０３ 品为聚乙烯。 （１６）：２９７２—２９７４． －Ｉ３］ Ｒ Ｆ．Ｌｉａｎｇ，＾／Ｌ Ｒ Ｍａｃｋｌｅｙ．ＴｈｅＧａｓ—ＡｓｓｉｓｔｅｄＥｘｔｒｕ— ３结 论 ｓｉｏｎ ｏ ｆＭｏｌｔｅｎＰｏｌｙｅｔｈｙｌｅｎｅ［Ｊ］．Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆＲｈｅｏｌｏｇｙ， ２００１，４５（１）：２１１－２２６． 本论文在调试使用ＳＰＥＣＯＲＤ ７５型红外光 Ｅ４］ 向东．超高分子量聚乙烯的应用及改性研究进展 谱仪的基础上，对样品样品高聚物的红外光谱进 Ｉ－ｊ］．化工科技市场，２００６，２９（５）：４１—５０． 行了定性分析。初步得到如下结论： Ｅ５３ Ｌｉｕ Ｇｏｎｇｄｅ，ＬｉＨｕｉｌｉｒＬ Ｅｘｔｒｕｓｉｏｎ ｏｆ ｕｌｔｒａ ｈｉｇｈ ｍｏ－ （１）高聚物的红外光谱谱带数目较多，特征 ｌｅｃｕｌａｒｗｅｉｇｈｔ ｐｏｌｙ－ｅｔｈｙｌｅｎｅ ｕｎｄｅｒ ｕｌｔｒａｓｏｎｉｃ ｖｉｂｒａ— 性很强。不同种类的红外光谱都不相同，每一种 ｔｉｏｎ ｆｉｅｌｄ［Ｊ］．Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ａｐｐｌｉｅｄ ＰｏｌｙｍｅｒＳｃｉｅｎｃｅ， ２００３，８９（ｉ０）：２６２８—２６３２． 类型都有其特征吸收峰。故用红外光谱法鉴定高 Ｅ６］ 董炎明．高分子分析手册［Ｍ］．北京：中国石化出版 聚物的组成非常有效。 社，２００４：８８—８９． （２）红外光谱法用于定量组分分析，与其它 ［７］ ＡＬＩ－ＺＡＤＥ Ｒ Ａ Ｉｎｖｅｓｔｉｇａｔｉｏｎ ｏｆ ｐｏｌｙｍｅｒ ｍａｇｎｅｔｉｃ 测量方法相比，具有制样简单方便、重复性好和测 ｍｉｃｒｏｓｐｈｅｒｅｓ［Ｊ］．Ｃｏｌｌｏｉｄｓ ａｎｄ Ｓｕｒｆａｃｅｓ Ａ：Ｐｈｙｓｉｃｏ— 量精度高的特点。要想获得精确的测量结果，必 ｃｈｅｍ．Ｅｎｇ．Ａｓｐｅｃｔｓ，２００５，２５５：１１１－１１７． 须正确选择谱带、选择最适透射比范围和最佳的 ［８］ 谷开慧，邢淑芝，解玉鹏，等．应用群论分析甲烷的 仪器工作条件。 红外和拉曼光谱特征［Ｊ］．大学物理实验， ２０１２，３（２）：５－６． 参考文献： ［９－Ｉ 赵国俭．纳米ＭｇＯ微晶的红外光学性质的模拟计 算［Ｊ］．大学物理实验，２０１２，５（１）：１－３． ［１］Ｃｏｔｕｇｎｏ Ｓ，Ｌａｒｏｂｉｎａ Ｄ，Ｍｅｎｓｉｔｉｅｒｉ Ｇ，ｅｔ ａ１．Ａ Ｎｏｖｅｌ Ｓｔｕｄｙ ｏｎ Ｉｎｆｒａｒｅｄ Ｓｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｙ ｏｆ Ｐｏｌｙｅｔｈｙｌｅｎｅ Ｆｉｌｍ Ｍａｔｅｒｉａｌ ＺＨＡＮＧ Ｄｕｏ，ＳＯＮＧ Ｇｅｎ－ｚｏｎｇ （Ｎｏｒｔｈｅａｓｔｅｒｎ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｌｉａｏｎｉｎｇ Ｓｈｅｎｙａｎｇ １１０００４） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｉｎｆｒａｒｅｄ ａｂｓｏｒｐｔｉｏｎ ｓｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｙ ｈａｓ ｂｅｅｎ ｗｉｄｅｌｙ ｕｓｅｄ ｉｎ ｍａｎｙ ｆｉｅｌｄｓ ｄｕｅ ｔｏ ｉｔ ｈａｓ ｍａｎｙ ａｄ— ｖａｎｔａｇｅｓ．ＩＲ ｓｐｅｃｔｒｕｍ ｍｅｔｈｏｄ ｉｓ ｏｆｔｅｎ ｕｓｅｄ ｔｏ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｚｅ ｔｈｅ ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ ｑｕａｌｉｔａｔｉｖｅｌｙ ａｎｄ ｑｕａｎｔｉｔａ— ｔｉｖｅｌｙ ｏｆ ｆｉｌｍ，ｓｙｎｔｈｅｔｉｃ ｆｉｂｅｒ，ｒｕｂｂｅｒ，ｐｌａｓｔｉｃ ａｎｄ ｏｔｈｅｒ ｐｏｌｙｍｅｒ ｒｅｓｅａｒｃｈｅｓ ｆｏｒ ｔｈｅ ｍｏｎｏｍｅｒ，ｐｏｌｙｍｅｒ ａｎｄ ａｄｄｉｔｉｖｅ．Ｇｅｎｅｒａｌｌｙ，ｔｈｅｒｅ ａｒｅ ａ ｌｏｔ ｏｆ ｂａｎｄｓ ｉｎ ＩＲ ｓｐｅｃｔｒａ ｏｆ ｐｏｌｙｍｅｒｓ，ａｎｄ ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ ｔｙｐｅｓ ｏｆ ｔｈｅ ｍａｔｅｒｉａｌ ｈａｖｅ ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ ｓｐｅｃｔｒａｌ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃ．Ａｄｄｉｔｉｏｎａｌｌｙ，ｔｈｅ ｐｒｅｐａｒａｔｉｏｎ ａｎｄ ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ ｔｅｃｈ— ｎｉｑｕｅｓ ｏｆ ＩＲ ｓｐｅｃｔｒａ ａｒｅ ｒｅｌａｔｉｖｅｌｙ ｓｉｍｐｌｅ，ｔｈｕｓ ｉｔ ｃａｎ ａｐｐｌｙ ｔｏ ａ ｖａｒｉｅｔｙ ｏｆ ｓａｍｐｌｅｓ．Ｉｎ ｔｈｉｓ ｓｔｕｄｙ，ｐｏｌｙ— ｍｅｒ ｆｉｌｍ ｍａｔｅｒｉａｌ ｗａｓ ｕｓｅｄ ａｓ ｔｈｅ ｓａｍｐｌｅｓ ａｎｄ ＩＲ ｓｐｅｃｔｒａ ｉｎｖｅｓｔｉｇａｔｉｏｎ ｗａｓ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｚｅｄ ｏｎ ｔｈｅ ｓａｍ— ｐｌｅｓ．Ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ ＩＲ ｓｐｅｃｔｒａ ｈａｖｅ ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃ ａｂｓｏｒｐｔｉｏｎ ｐｅａｋｓ，ＳＯ ｉｔ ｉｓ ｐｏｓｓｉｂｌｅ ｔｏ ｄｉｓｔｉｎｇｕｉｓｈ ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ ｓａｍｐｌｅｓ ｗｉｔｈ ＩＲ ｒｅｓｕｌｔｓ．Ｔｈｅ ｓｔｒｏｎｇｅｓｔ ａｂｓｏｒｐｔｉｏｎ ｂａｎｄｓ ｏｆ ｔｈｅ ｓｐｅｃｔｒｕｍ ａｒｅ ｄｉｖｉｄｅｄ ｉｎｔｏ ｓｉｘ ｒｅｇｉｏｎｓ，ａｃｃｏｒｄｉｎｇ ｔＯ ｔｈｅ ｐｏｓｉｔｉｏｎ，ｐｅａｋ ｓｈａｐｅ，ａｎｄ ｒｅｌａｔｉｖｅ ｉｎｔｅｎｓｉｔｙ ｏｆ ａｂｓｏｒｐｔｉｏｎ ｐｅａｋ ｔｏ ａｎａｌｙｚｅ ｔｈｅ ＩＲ ｒｅｓｕｌｔｓ．Ｔｈｅ ｒｅｓｕｌｔｓ ｒｅｖｅａｌｅｄ ｔｈａｔ ｔｈｅ ｐｏｌｙｍｅｒ ｓａｍｐｌｅｓ ｕｓｅｄ ｉｎ ｔｈｉｓ ｓｔｕｄｙ ｍａｉｎｌｙ ｉｓ ｃｏｍｐｏｓｅｄ ｏｆ ｐｏ— ｌｙｅｔｈｙｌｅｎｅ，ｉｎｄｉｃａｔｉｎｇ ｔｈａｔ ｉｔ ｉｓ ｖｅｒｙ ｅｆｆｅｃｔｉｖｅ ｔｏ ｉｄｅｎｔｉｆｙ ｔｈｅ ｃｏｍｐｏｓｉｔｉｏｎ ｏｆ ｐｏｌｙｍｅｒｓ ｂｙ ｉｎｆｒａｒｅｄ ｓｐｅｃ— ｔｒｏｓｃｏｐｙ ｍｅｔｈｏｄ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｐｏｌｙｍｅｒ；ＩＲ ｓｐｅｃｔｒｕｍ；ｆｉｌｍ；ｐｏｌｙｅｔｈｙｌｅｎｅ
