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）

高聚物材料因其质轻、美观、耐腐蚀、品种繁多、易于加工等特点，广泛用于各类产品的包装。高聚物透明材料由于透光度高，相对密度小，绝缘性能良好，具有一定的强度和韧性。聚乙烯薄膜作为高聚物材料，由于其耐水、耐腐蚀、热封性好。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，天体物理，反应堆运行中运用聚乙烯作为漫化剂来测量中子。对核物理的研究做出了自己的贡献.我们常常提的方便袋就是聚乙烯（PE）。聚乙烯是结构最简单的高分子，也是应用最广泛的高分子材料。聚乙烯无臭，无毒，手感似蜡，具有优良的耐低温性能（最低使用温度可达（－70～－100℃），化学稳定性好，能耐大多数酸碱的侵蚀，吸水性小，电绝缘性能优良。红外光谱具有高度特征性，可以采用与标准化合物的红外光谱对比的方法来做分析鉴定。利用化学键的特征波数来鉴别化合物的类型，并可用于定量测定。目前，红外光谱在高聚物的构型、成分分析中广泛应用［1－6］。

1 实验原理

根据辐射定律：任何物体，只要温度高于0k，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。各种物质对不同波长红外辐射的吸收程度是不同的，因此当不同波长的红外辐射依次照射到样品物质时，由于某些波长的辐射能被样品选择吸收而减弱于是形成红外吸收光谱。通常用透过与波数（波长的倒数cm-1）所作的红外吸收光谱曲线来表征各种物质的红外吸收光谱［7－9］。

在红外光谱分析中，2.5m～15μm（4 000～667cm-1）的中红外区是应用最广泛的光谱区。其中2.5～7.5μm称为特征谱带区。因为各类官能团的特征吸收峰都出现在这区域。7.5～15μm称为指纹区，在鉴定物质分子的官能团时，指纹区的一些吸收峰常作旁证，对同系物或异构体的鉴别特别有用。物质的分子振动往往在特征区和指纹区产生若干个吸收峰，这些相互依存的可以相互佐证的吸收峰称为相关峰。

一条红外吸收光谱曲线可以由吸收峰位置、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、峰位及其影响因素。

2 实验过程及结果分析

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，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υ（C＝O）和烯类的υ（C＝C）均在1 650cm-1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 700cm-1，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 500cm-1，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 300cm1，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1 300～1 200cm1，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1 200～1 000cm1，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1 000～600cm1，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。

图1 样品高聚物的红外光谱图

首先从高频区域开始进行分析。在3 700～3 100cm-1区域的谱带主要是由于 O－H 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 000cm-1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 800cm-1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 000cm-1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 550cm-1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 600cm-1区域，也可以否定。芳环的伸缩振动出现在1 600～1 450cm-1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 350cm1之间。光谱中有强的吸收带，进而证实了CH3和CH2的存在。在1 310～1 020cm-1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1 000cm-1区域，仅有一对双峰分别位于731cm-1和720cm1，由于双键和芳环结构都已排除，所以这谱带应该是长链碳氢化合物的吸收。

根据上述讨论可知，光谱中仅有碳氢基团的吸收，可确定是长链的饱和碳氢化合物。从这类高聚物的标准红外谱图中查对可得样品高聚物样品为聚乙烯。

3 结 论

本论文在调试使用SPECORD 75型红外光谱仪的基础上，对样品样品高聚物的红外光谱进行了定性分析。初步得到如下结论：

（1）高聚物的红外光谱谱带数目较多，特征性很强。不同种类的红外光谱都不相同，每一种类型都有其特征吸收峰。故用红外光谱法鉴定高聚物的组成非常有效。

（2）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。要想获得精确的测量结果，必须正确选择谱带、选择最适透射比范围和最佳的仪器工作条件。

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